Palivová soustava vznětového motoru s rotačním čerpadlem s radiálními písty (VP/VR)

Palivová soustavaPalivová soustavavznětového motoru vznětového motoru

s rotačním čerpadlem s rotačním čerpadlem s radiálními písty (VP/VR)s radiálními písty (VP/VR)s elektronickou regulacís elektronickou regulací

Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Radek HladnýDostupné z Metodického portálu www.rvp.cz; ISSN 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR.

Provozuje národní ústav pro vzdělávání, školské poradenské zařízení a zařízení pro další vzdělávání pedagogických pracovníků (NÚV) .

Charakteristika a použití palivové soustavy se systémem EDC - VR

Vysokého tlaku, který je potřeba k jemnému rozptýlení paliva, se dosahuje pomocí pístového čerpadla se 2 - 4 pístky, konajícími radiální pohyb. Pístky zajišťují tvorbu vysokého tlaku a rozdělovací hřídel svým otáčením rozděluje palivo k jednotlivým válcům.

Čerpadlo s radiálními písty a elektronickou regulací od firmy Bosch se využívá od roku 1996 u vznětových motorů osobních a lehkých nákladních automobilů se 4 - 6 válci.Využívalo se u motorů s přímým vstřikem s využitím dvoupružinových vstřikovačů. Brzy však bylo překonáno systémy UIS nebo Common Rail.

Vstřikovací tlaky mohou dosahovat na straně trysky až 180 MPa.

Přehled částí palivové soustavySoustavu tvoří podobné části jako u čerpadla

VE - EDCNízkotlaká část :

Nádrž, podávací čerpadlo, jemný čistič, podávací čerpadlo vstřikovacího čerpadla, regulační ventil tlaku paliva a škrtící odpadní tryska, nízkotlaké potrubí a hadice, vratné potrubí.

Vysokotlaká část :Vysokotlaké pístové čerpadlo s radiálními písty, výtlačné ventily, vysokotlaké potrubí, vstřikovače.

Součásti označené modrou barvou jsou součástí vstřikovacího čerpadla VR.

Přehled částí palivové soustavyKonstrukční odlišnosti čerpadla

Nízkotlaká část soustavy je zpravidla doplněna o elektrické palivové čerpadlo, které je umístěno v nádrži. Samotné vstřikovací čerpadlo je pak vybaveno lamelovým čerpadlem podobné konstrukce jako u čerpadla s axiálním pístem.

Regulace množství paliva ze strany řidiče i regulátoru je realizována elektronicky. Množství paliva a přesný okamžik vstřikování je řízeno elektromagnetickým ventilem, který se nachází na čele čerpadla mezi vysokotlakými přípojkami.

Regulace počátku vstřiku pracuje v principu stejně jako u čerpadla VE, tj. elektromagnetickým taktovacím ventilem, který přes řídící píst a šoupátko ovlivňuje aktuální tlak na píst přesuvníku.

Zastavování motoru je realizováno stejným elektromagnetickým ventilem, kterým se reguluje množství paliva.

Zvláštností systému jsou dvě řídící jednotky – řídící jednotka motoru a řídící jednotka čerpadla. Obě jednotky spolupracují přes vedení CAN-BUS. Řídící jednotka čerpadla vyhodnocuje signály ze snímačů v čerpadle a řídí akční členy umístěné na čerpadle, tj. dávkování paliva a počátek vstřiku. Další fukce pak řídí jednotka motoru.

Vstřikovací čerpadloSoučásti, které nejsou vidět, neboť se nachází v čerpadle mají v popisu žlutý podklad.

Vstup paliva

Výstupy paliva

─►

Elmagn. ventil regulace množstvíVysokotlaké čerpadlo

─►

─►

Přesuvník vstřiku

─►

POHON

Elektromagnetický ventil přesuvníku vstřiku

─►

─►

Snímač teploty paliva

Řídící jednotka čerpadla

Zpětné vedení paliva

─►

Palivový systém – vysokotlaká část

Čerpadlo s radiálními písty• Vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty je poháněno hřídelem pohonu. Tvoří

je speciálně tvarovaný vačkový prstenec, ve kterém se otáčí hnací hřídel. V hnací hřídeli se nachází dle provedení 2 až 4 písty, které jsou opřeny o patky kladek a pohybují se tak prostřednictvím válečků podle zakřivení vaček na vačkovém prstenci, přičemž počet vaček odpovídá počtu válců motoru. To znamená, že prostor mezi písty se střídavě zmenšuje a zvětšuje.

• Ve spodní úvrati vačkového prstence jsou písty od sebe odtlačovány vnikajícím palivem z nízkotlakého okruhu ( tlakem paliva 18 – 24 barů ). Jakmile se začnou písty náběhem válečků na vačky stlačovat, magnetický ventil uzavře přívod paliva ( uzavře propojení s nízkotlakým okruhem ) a palivo se začne stlačovat. Po natočení rozdělovací hřídele je pak vytlačováno rozdělovací drážkou přes rozdělovací hlavu a zpětný škrtící ventil ke vstřikovači příslušného válce ( dle pořadí vstřiku ).

• Konec vstřiku a tedy i množství vstřiknutého paliva je určeno otevřením vysokotlakého elektromagnetického ventilu. Zbytek paliva se pak vrací do zásobníku paliva s ocelovou membránou, který slouží ke zmírnění tlakových špiček a podporuje další plnění vysokotlakého čerpadla palivem. Přebytečné palivo se odvádí přepouštěcím ventilem do nádrže.


Přesuvník vstřiku• Nachází se na spodní části čerpadla a pracuje podobně jako u čerpadla VE-

EDC. To znamená, že je možno ve spolupráci s elektromagnetickým taktovacím ventilem měnit počátek vstřiku, čímž dochází přes posun pístu přesuvníku k natáčení vačkového prstence.

• Podobně jako u čerpadla VE ovládal píst přesuvníku natáčení kladkového kruhu, u čerpadla VR ovládá píst přesuvníku natáčení vačkového prstence. V pístu přesuvníku je navíc umístěno regulační šoupátko, které otvírá a zavírá řídící otvor v pístu přesuvníku

• Je-li motor v klidu, tlačí pružina píst přesuvníku do polohy „pozdního vstřiku“.

• Jakmile začne nízkotlaké čerpadlo dodávat palivo, působí jeho tlak přes trysku na řídící píst proti síle pružiny a posune tak regulační šoupátko v pístu. Tím se dostane palivo přes kanály v pístu přesuvníku a posouvá svým tlakem pístem proti síle pružiny a tím píst natáčí vačkovým prstencem proti směru otáčení hřídele čerpadla, čímž se zvětšuje úhel předstihu vstřiku. V určité pozici uzavře šoupátko v pístu i odtokový kanál a nastane silová rovnováha.


VstřikovačeÚkolem vstřikovače je zajistit vstříknutí jemně

rozptýleného paliva do spalovacího prostoru.

Čerpadlo je určeno pro motory s přímým vstřikem v kombinaci s dvoupružinovými vstřikovači, které používaly otvorové trysky. Tento vstřikovač umožňuje nejdříve vstříknutí menší dávky paliva (předvstřik) pro zapálení paliva a následně vstříknutí hlavní dávky. Tím se dosahuje u motorů s přímým vstřikem snížení hlučnosti a tvrdosti chodu motoru.

Palivový systém – vysokotlaká částDvoupružinový vstřikovač

Základní princip činnosti vstřikovače je stejný jako u jednopružinového. Jehlu trysky nadzvedne tlak paliva působící proti pružině. Jehla trysky působí přes tlačnou tyčku a misku na horní tlačnou pružinu. Jakmile tlak překoná její předpětí nadzvedne se jehla, ale jen o malou vzdálenost (zp), protože se opře o dorazové pouzdro, které tlačí na spodní pružinu. Uvolnil se tak pouze úzký průřez pro vstřik paliva. Tlak paliva dále narůstá a dojde i ke stlačení druhé pružiny ( prakticky obou pružin) o určitou hodnotu (zh). Tím se jehla dále nadzvedne a může se vstříknout větší – hlavní dávka paliva. Vstřikování se ukončí poklesem tlaku paliva a dosednutím jehly vlivem pružin.

Přepad paliva

↑

Tlačná tyčka

Převlečná matice

Vstřikovací tryska

Vysokotlaký vstup paliva

Tlačná pružina předvstřiku

◄─

Držák trysky

◄───

Tlačná pružina pro hlavní dávku

Dorazové pouzdro

↑

◄─

◄───

◄───

◄───

◄─

◄───

Snímání provozních údajůSnímač hmotnosti nasávaného

vzduchu• Tento snímač (měřič) je umístěn

za vzduchovým filtrem a vyhodnocuje hmotnost nasávaného vzduchu a převádí je na napěťový signál.

• Používá se snímač hmotnosti nasávaného vzduchu s vyhřívaným filmem (HFM). Protože vyhřívané prvky jsou ochlazovány proudícím vzduchem, musí být měněn vyhřívací proud, aby teplota byla pořád stejná. Výsledný signál může zohledňovat i teplotu nasávaného vzduchu. Snímač kompenzuje i vliv zpětného proudění vzduchu.

• Při poruše snímače je aktivován nouzový program s náhradní hodnotou a dojde ke snížení plnícího tlaku.

Snímání provozních údajů

Snímač plnícího tlakuSnímač se nachází na sacím potrubí za chladičem stlačeného vzduchu. Snímač tlaku může být integrován i v ŘJ.

Pracuje na piezorezistivním principu a měří absolutní tlak vzduchu. Při jeho výpadku se sníží maximální dávka paliva.


Snímač atmosférického tlaku vzduchuSnímač bývá umístěn přímo v řídící jednotce

motoru. Pracuje jako snímač plnícího tlaku na piezorezistivním principu a měří absolutní atmosférický tlak vzduchu. Z rozdílu plnícího a atmosférického tlaku určí ŘJ relativní plnící tlak.

Při jeho výpadku si ŘJ dosadí náhradní hodnotu.Snímač se bohužel nedá vyměnit samostatně

a musí se vyměnit celá řídící jednotka motoru.

Snímání provozních údajůSnímač otáček motoru

Jedná se o indukční snímač, který je umístěn u setrvačníku na přírubě bloku motoru se skříni převodovky a reaguje na výřezy nebo zuby kotouče setrvačníku, jejichž pozici vůči horní úvrati 1. válce ŘJ zná.Signál se využívá k určení okamžiku vstřiku, k regulaci předstihu zážehu ale také regulaci volnoběhu či omezení maximálních otáček.V případě výpadku signálu pracuje řídící jednotka motoru s náhradním signálem ze snímače úhlu otočení v řídící jednotce.

◄─Snímač otáček motoru


Snímač úhlu otočení • Nachází se ve vstřikovacím čerpadle a snímá úhlovou polohu hřídele

čerpadla ( pro ovládání vysokotlakého elektromagnetického ventilu ), otáčky vstřikovacího čerpadla ( pro řídící jednotku čerpadla nebo jako náhradní signál za otáčky motoru pro řídící jednotku motoru ) a okamžitou pozici přesuvníku vstřiku ( pro regulaci počátku vstřiku ) a to s přesností na 3 stupně. Při výpadku tohoto snímače nelze motor nastartovat.

• Snímač je tvořen snímacím kolem s jemným ozubením ( 120 zubů ) a velkými mezerami odpovídajícími svým počtem a úhlovým rozdělením počtu válců. Vlastní magnetorezistivní snímač totiž není uchycen v čerpadle pevně, ale je společně pootáčen s vačkovým prstencem při pohybu pístu přesuvníku.

Snímání provozních údajůSnímač pohybu jehly (počátku

vstřiku)• Jedná se o indukční snímač umístěný

na jednom ze vstřikovačů. Cívkou protéká konstantní proud a jestliže se pohne s pohybem jehly tlačný čep, změní se magnetické pole a v cívce dochází k indukci. Pro udržení konstantního proudu se musí změnit napájecí napětí, přičemž tato odchylka napětí slouží pro určení počátku vstřiku.

• Signál z tohoto snímače je v řídící jednotce motoru porovnán ze signálem snímače otáček motoru a z jejich rozdílu se vypočítává skutečný počátek vstřiku.


Snímač teploty motoruJe to polovodičový odporový snímač s NTC charakteristikou umístěný v pouzdře, přičemž změna odporu je převáděna na změnu napětí.Snímač je umístěn u hlavy válců motoru a snímá teplotu chladící kapaliny.Údaj o teplotě využívá řídící jednotka k určení obohacení při studených startech a zahřívání, při regulaci počátku vstřiku a doby žhavení.

Při výpadku použije ŘJ náhradní hodnoty a doba předžhavení bude maximální.


Snímač teploty palivaJe to polovodičový odporový snímač s NTC charakteristikou. Snímač je umístěn

pod víčkem v horní části vstřikovacího čerpadla a měří tak teplotu nafty před vstupem do vysokotlaké části.

Údaj o teplotě využívá řídící jednotka k určení hustoty paliva a tím k přesnému určení hmotnosti vstřikované dávky.

Při výpadku použije ŘJ náhradní hodnotu.

Snímač teploty nasávaného vzduchuSnímač se nachází na sacím potrubí za chladičem stlačeného vzduchu. Je to NTC

odpor a slouží pro korekci skutečné hmotnosti nasávaného vzduchu.

Snímač teploty olejeJe to polovodičový odporový snímač s NTC charakteristikou. Snímač je umístěn

v klikové skříni a měří teplotu oleje v olejové vaně.Údaj o teplotě využívá řídící jednotka k přepočítávání intervalu výměny oleje

v režimu proměnných servisních intervalů.


Snímač polohy akceleračního pedálu

Jedná se o potenciometr, který je spojen s pedálem krátkým lankem nebo je přímo umístěn na pedálu. Snímač má také integrován kontakt volnoběhu a u vozů s automatickou převodovkou i Kick-down.

Snímač předává řídící jednotce napěťový signál o požadavku řidiče na výkon motoru.

Při výpadku signálu poběží systém dál v nouzovém režimu se zvýšenými volnoběžnými otáčkami (asi 1400 min-1).


Spínač spojkového pedáluNachází se u spojkového pedálu a slouží k rozpoznání polohy sešlápnutí spojkového pedálu. V klidovém stavu je spínač sepnut.Signál slouží k vypnutí funkce tempomatu, řídící jednotka při jeho aktivaci snižuje množství paliva a při volnoběhu vypíná regulaci rovnoměrného chodu.

Při jeho nefunkčnosti se omezuje maximální dávka paliva.


Spínač brzdových světel a spínač brzdového pedálu

Jedná se o dva snímače v jednom celku.Jsou umístěny u brzdového pedálu a slouží k rozpoznání sešlápnutí brzdového pedálu.Spínač světel je v klidu otevřen a slouží k aktivaci brzdových světel a přídavně pro ŘJ motoru.Spínač pedálu je v klidu sepnut a řídící jednotka motoru využívá jeho signálu k vypínání tempomatu a ke snižování dávky paliva. Signály se také využívají ke kontrole hodnověrnosti signálu ze snímače akceleračního pedálu.

Snímání provozních údajůSnímač rychlosti vozidla →

Jedná se o mechanický nebo Hallův snímač, umístěný na skříni převodovky, resp. rozvodovky.Snímač slouží řídící jednotce při aktivním tlumení cukání a při vybavení tempomatem k regulaci nastavené rychlosti.

Spínač tempomatuJe umístěn na páčce pod volantem a pomocí

něj se zapíná či trvale vypíná funkce tempomatu.

Spínač klimatizaceJe umístěn na ovládacím panelu klimatizace.

Je-li klimatizace zapnuta a řidič prudce akceleruje, dojde krátkodobě k vypnutí kompresoru klimatizace.

Spínač předžhaveníSpínač bývá integrován ve dveřích řidičeA po jejich otevření aktivuje žhavení motoru, aby řidič mohl dříve startovat.

Akční členyVysokotlaký elektromagnetický ventil • Tento ventil řídí počátek vstřiku

i množství vstřikovaného paliva. Spínací proud dosahuje hodnoty až 20 A. Slouží také k zastavení motoru.

• Je-li ventil bez proudu, jsou propojeny plnící kanály nízkotlakého okruhu v rozdělovacím hřídeli s vysokotlakým prostorem mezi písty. V okamžiku, kdy má dojít ke vstřiku paliva, aktivuje řídící jednotka čerpadla vysokotlaký elektromagnetický ventil. Tím se uzavře spojení kanálů v hřídeli a palivo stlačované radiálními písty je vedeno k výtlačnému ventilu a vstřikovači. Ukončení dodávky nastane přerušením přívodu proudu k elektromagnetickému ventilu, čímž poklesne tlak propojením vysokotlakého a nízkotlakého prostoru.

• Nebude-li ventil aktivován, nemůže se vytvořit vysoký tlak a nedojde tedy ke vstřiku paliva. ─►

Akční členyElektromagnetický ventil počátku vstřiku

• Nachází se na spodní straně vstřikovacího čerpadla.

• Tento ventil reguluje v konečném důsledku přetlak paliva působícího na píst přesuvníku, který natáčí prstencem s vnitřními radiálními vačkami.

• Konstrukce zařízení pro regulaci tlaku je složitější než u čerpadla VE. Ventil ve skutečnosti reguluje tlak paliva působícího na řídící píst, který je spojen s regulačním šoupátkem v pístu přesuvníku. Regulační šoupátko svým pohybem otvírá nebo zavírá řídící otvor v pístu přesuvníku a tím ovlivňuje tlak na píst přesuvníku, čímž se mění poloha prstence s vačkami a tím předstih vstřiku.

• Otevírání a zavírání ventilu je řízeno pulzním pravoúhlým signálem s proměnnou délkou impulsu a konstantní frekvencí.

Akční členy

Elektromagnetický ventil zpětného vedení výfukových plynů = elektropneumatický převodník recirkulace výfukových plynů Tento převodník je aktivován pravoúhlým napěťovým signálem s proměnnou délkou impulsu z řídící jednotky a tím se mění poloha membránového ventilu v měniči, čímž se vytváří určitý podtlak, kterým se ovládá membránový podtlakový ventil recirkulace spalin .

Akční členy

Elektromagnetický ventil omezení plnícího tlakuVentil je také řízen pravoúhlým napěťovým signálem s proměnnou délkou impulsu z řídící jednotky, čímž vytváří modulovanou hodnotu přetlaku pro řízení obtokového ventilu turbodmychadla.

Regulační funkce řídící jednotky

Regulace množství vstřikovaného paliva Přání řidiče je hlášeno přes signál snímače polohy pedálu akcelerátoru a na základě toho řídící jednotka motoru dle uložených datových polí s ohledem na provozní stav motoru vypočítá množství paliva a pošle signál řídící jednotce čerpadla, která ovládá vysokotlaký elektromagnetický ventil. Zároveň řídící jednotka motoru na základě signálů o počtu otáček a hmotnosti nasátého paliva určí z naprogramovaného pole kouřivosti maximální dodávku paliva, samozřejmě s ohledem na teplotu motoru, paliva apod. a porovná toto množství s požadavkem řidiče. Je-li požadavek na množství paliva větší než připouští pole kouřivosti (prakticky při nedostatku vzduchu např. při zrychlení nebo velkém zatížení), umožní maximální dávku dle tohoto pole, jinak je plněn požadavek řidiče.

• Regulace je tedy schopna upravovat dávku paliva v jakémkoliv provozním režimu :- startu- regulace volnoběhu, popř. regulace klidného chodu- aktivní tlumení škubání motoru (při rychlé změně polohy akceleračního pedálu)- regulace rychlosti- regulace přeběhových otáček- přerušení dodávky paliva při brzdění motorem

Regulační funkce řídící jednotkyRegulace počátku vstřiku• K regulaci počátku vstřiku se využívá signálů ze snímačů

počátku vstřiku (pohybu jehly) a otáček motoru a hodnoty vypočítané hmotnosti skutečně vstřikovaného paliva. Na základě těchto hodnot určí řídící jednotka motoru z naprogramovaného pole počátku vstřiku hodnotu, která se zkoriguje dle teploty motoru. Tato vypočtená hodnota je pak předána řídící jednotce čerpadla spolu s vypočtenou skutečnou ze snímače pohybu jehly. Řídící jednotka čerpadla pak trvale porovnává vypočtený a skutečný počátek vstřiku (ze snímače úhlu otočení nebo jehly) a dle toho mění střídu signálu pro elektromagnetický taktovací ventil počátku vstřiku.

• Pokud chybí signál o počátku vstřiku je tento počátek řízen dle náhradního programu, ale sníží se zpravidla dodávka paliva.


Regulace rychlosti ( je-li vozidlo vybaveno tempomatem )

• Signál ze snímače rychlosti je porovnán s hodnotou předvolenou řidičem a podle potřeby dá řídící jednotka motoru pokyn řídící jednotce čerpadla pro regulaci vstřikovaného paliva.


Regulace recirkulace výfukových plynů• Jde o zpětné přisávání části výfukových plynů do sacího

traktu, kde se mísí s čerstvým vzduchem. Účelem je snížit špičkovou spalovací teplotu, čímž se sníží množství emisí NOx ve výfukových plynech.

• Řídící jednotka motoru na základě otáček motoru a vypočítané hmotnosti paliva určí z datového pole teoretické množství nasátého vzduchu ( nejmenší nutné ) a tuto hodnotu porovná se skutečným množstvím nasátého vzduchu (změřeným ), jemuž přísluší určitá dávka recirkulovaných spalin. Na základě rozdílnosti signálu pak doreguluje množství přisávaných spalin prostřednictvím elektropneumatického převodníku.

• K uvedené recirkulaci dochází jen u zahřátého motoru a to při nižších otáčkách (asi do 3000 1/min) a částečném zatížení.

Regulační funkce řídící jednotkyRegulace plnícího tlaku ( u přeplňovaných motorů ) • Řídící jednotka motoru vyhodnocuje signály

ze snímače otáček motoru a hmotnosti nasávaného vzduchu a dále snímače teploty nasávaného vzduchu a snímače atmosférického tlaku. Z naprogramovaného pole se vypočte teoretická hodnota plnícího tlaku. Ta se porovná se skutečnou ( změřenou ) a v případě potřeby se dá signál elektromagnetickému řídícímu ventilu, který vpuštěním modulovaného přetlaku do obtokového ventilu odpouští část výfukových plynů před turbínou přímo do výfuku.

• Jestliže není možno při poruše snížit hodnotu plnícího tlaku, sníží se množství vstřikovaného paliva.


Systém žhavení motoru ( odlišné podle typu vozidla a verze systému )• Žhavení řídí řídící jednotka motoru přes řídící jednotku

žhavení dle teploty motoru (určuje délku žhavení). Žhavení je signalizováno kontrolkou žhavení na přístrojové desce. Pokud zhasne kontrolka a ještě nestartujeme následuje dle teploty motoru další žhavení po dobu (4-20) sekund.

• U vozidel koncernu VW se například zapíná žhavení již při otevírání dveří. V případě opakovaného žhavení se toto provede pouze třikrát a pak je již třeba je vyvolat klíčkem. Po nastartování motoru pokračuje žhavení při teplotě kapaliny nižší než +20 °C ještě až po 90 sekund (kvůli emisím motoru a hlučnosti ) a toto dodatečné žhavení se u VW ukončí až při dosažení otáček motoru asi 2500 1/min nebo po uplynutí doby určené řídící jednotkou.

Documents

Palivová soustava vznětového motoru s rotačním čerpadlem s radiálními písty (VP/VR)