5.18. Benzinbefecskendező és integrált motorirányító rendszerek (Tizennyolcadik rész –Integrált motorirányító közvetlen benzinbefecskendezéssel I. – Bosch MED) Az Otto motorok egyesített irányító rendszerei közül utolsóként a ma legmodernebbnek számító – a közvetlen benzinbefecskendezésre épülő – rendszerekkel foglalkozunk. A direkt benzinbefecskendezés nem teljesen új műszaki megoldás: 1933-ban repülőben, 1951-ben 2ü motorhoz, 1954-ben Mercedes 300SL-ben, mechanikus közvetlen benzinbefecskendezést már alkalmaztak. A BDE (Benzin Direkteinspritzung) belső keverékképzésű Otto-motor, a maiak idő-és nyomásvezérlésűek. Van olyan, amelyik mindig homogén keverékkel üzemel, és van, amelyik váltogatja a homogén és rétegzett (heterogén) keverékes működésmódot. Az utóbbi homogén keverék esetén a szívóütemben, rétegzett keverék esetén a sűrítési ütem végén fecskendez. E témakörrel foglalkozó első cikkünkben bemutatjuk a Bosch MED főbb szerkezeti elemeit, általános jellemzőit és elkezdjük részletezni annak tüzelőanyag rendszerét. 1. Bosch Motronic MED integrált motorirányító rendszer felépítése és általános jellemzői
1. ábra
Forrás: Bosch
1 – Aktív szenes benzingőztároló 2 – Regeneráló szelep 3 – Nagynyomású tápszivattyú (HDP-2 beépített mennyiségszabályzóval) 4 – Szelepvezérlés-állító és érzékelő 5 – Gyújtótekercs a beépített végfokkal és a gyújtógyertyával 6 – Hőfilmes légtömegmérő beépített hőmérsékletszenzorral 7 – Fojtószelepegység – EGAS 8 – Szívócsőnyomás érzékelő 9 – Tüzelőanyag-nyomás érzékelő
10 – Nagynyomású elosztócső (rail) 11 – Vezérműtengely vonatkoztatási jeladó 12 – Szélessávú lambda-szonda 13 – EGR szelep 14 – Befecskendezőszelep 15 – Kopogásszenzor 16 – Motorhőmérséklet érzékelő 17 – Motor-közeli (elő) katalizátor 18 – Lambda-szonda (ugrásszonda) 19 – Fordulatszám és vonatk. jeladó 20 – Elektronikus irányítóegység 21 – CAN csatlakozás
1
22 – MIL lámpa 23 – Diagnosztikai csatlakozó 24 – Immobilizer vezérlőegység csatlakozás 25 – Gázpedálállás érzékelő 26 – Tüzelőanyag-tartály 27 – Elektromos tápszivattyú-egység 28 – Kipufogógáz-hőmérséklet érzékelő 29 – Főkatalizátor (NOX – tároló és hármas hatású katalizátor) 30 – NOX- szenzor (vagy lamdaszonda)
A rendszer általános jellemzői A Bosch az integrált motorirányítói közül a MED rövidítést a Motronic EGAS Direkteispritzsystem szavak kezdőbetűiből képezte. E rendszerekben közös elektronikus irányítóegység vezérli, illetve szabályozza a nagynyomású közvetlen benzinbefecskendezést (BDE), a változó szelepvezérlést, az elektromosan működtetett fojtószelep vezérlést (EGAS), a füstgáz-visszavezető rendszert (EGR), az SDIS kopogásmentesített gyújtást, az öndiagnosztikai rendszert (OBD), a tartályszellőztető rendszert, az NOx-tároló katalizátorhoz szükséges vezérlést (NOx ürítés és kéntelenítés). A MED elektronikus agya természetesen, ha szükséges a jármű más irányítóegységeivel a CAN-en keresztül (is) kommunikál. 2. A tüzelőanyag-rendszer főbb szerkezeti elemei, azok felépítése és működése (HDP-2 szivattyúval szerelt rendszer) Forrás: Bosch
2. ábra
1 – Tüzelőanyag-tartály 2 – Elektromos szivattyú 3 – Szűrő 4 – Alacsony nyomású nyomásszabályzó (korlátozó) 5 – Lezárószelep (nincs minden változatban) 6 – Egyhengeres nagynyomású szivattyú (HDP-2) 7 – Mennyiségszabályzó szelep 8 – Nyomáslengés-csillapító 9 – Elosztó- és tárolócső 10 – Nyomáshatároló szelep (korlátozó) 11 – Csőnyomás érzékelő 12 – Nagynyomású befecskendezőszelepek
A BDE tüzelőanyag rendszere két fő részre osztható. A kisnyomású rendszer a tartályból a tüzelőanyagot a nagynyomású szivattyú beömlő oldalához szállítja, az üzemállapottól függően 0,4-0,5 MPa (4-5 bar) nyomással. A nagynyomású rész első eleme a nagynyomású dugattyús szivattyú, amely az üzemállapottól függően 5-20 MPa nyomást hoz létre az elosztócsőben. Ehhez csatlakoznak a befecskendező szelepek. 2.1. Az alacsony nyomású rendszer felépítése és működése . Forrás: Volkswagen AG
1 – Motronic irányítóegység 2 – PWM jel I. 3 – Benzinszivattyú irányítóegység 4 – PWM jel II. 5 – Elektromos tüzelőanyag-szivattyú 6 – Tartály 7 – Szűrő, beépített nyomáshatárolóval 8 – Nyomásérzékelő 9 – Fedélzeti vezérlőegységtől
A kisnyomású szivattyú nem a megszokott módon működik, azt saját ECU irányítja úgy, hogy a „kisnyomás” mindig az előírt értékű legyen (3. ábra). (Normál üzemben 0,4 MPA, hideg és meleg indításkor 0,5 MPa.) A motor ECU a kisnyomás-érzékelő (8) jele alapján 20Hz-es PWM (impulzus szélesség modulált) jellel irányítja a szivattyú-ECU-t (3), amely 20 kHz-es PWM jellel vezérli a szivattyút. Ezáltal a szivattyú 3. ábra „nem szállít túl”, nincs folyamatos visszafolyás és az irányítóegység az alacsony oldali rendszernyomást az igénynek megfelelően tudja változtatni. A szűrőbe épített nyomáshatároló csak biztonsági szerepet játszik. Az ECU, és ez által a szivattyú tápellátásáról, a fedélzeti hálózati vezérlőegység gondoskodik, szükség esetén (pl. légzsáknyitás) azt le tudja állítani. 2
2.2. A nagynyomású rendszer főbb szerkezeti elemei és azok működése 2.2.1. HDP-1 szivattyúval szerelt rendszer és a szivattyú 1 – Nagynyomású szivattyú (HDP-1) 2 – Alacsony nyomású csatlakozó 3 – Nagynyomású cső 4 – Tüzelőanyag elosztócső (rail) 5 – Befecskendezőszelep 6 – Nyomásérzékelő 7 – Nyomásszabályzó
A nagynyomású rendszert többféle szivattyúval gyártották. A 4. ábrán a HDP-1-el szerelt BDE-t láthatjuk. Ennek 3 dugattyús nagynyomású szivattyúja az 5. ábrán látható. Feladata az 5-12 MPa nyomás előállítása. Itt 4. ábra Forrás: Bosch jegyezzük meg, hogy a motorindítás első szakaszában a befecskendező szelepek az előszállító nyomással (0,5 MPa) fecskendeznek. A szivattyú excentere – ezt általában a vezérműtengely hajtja – és a nyomórugók alternáló mozgásra kényszerítik a szivattyú dugattyúit. A radiális dugattyús szivattyú 120°-os szögben elhelyezett dugattyúi egyenletes terhelést, és egymást átfedő szállítást biztosítanak. Ha valamelyik dugattyút nyomórugója az excenter felé mozdítja, annak nyomószelepe zár, szívószelepe nyit és a benzin a dugattyún kialakított furatokon és a beeresztő szelepen keresztül a dugattyú fölé áramlik. Ha az excenter az emelőgyűrűn keresztül a dugattyút a külsőholtpont felé mozgatja, a beeresztő szelep zár és a nyomószelep nyit, a tüzelőanyag az elosztócső felé távozik. A HDP-1 –es szivattyú erősen túlszállít, teljesítményfelvétele nagy, szállított mennyisége fordulatszámfüggő. E szivattyúnál a megcélzott railnyomást az elosztócsőre szerelt nyomásszabályzó állítja be. A szabályzó a szivattyú szívó oldalára ereszti vissza a „fölösleges” tüzelőanyagot. A szivattyú (tömítőelem előtti) alkatrészeit a tüzelőanyag keni. a – Hosszmetszet b – Keresztmetszet
Forrás: Bosch
5. ábra
1 – Excenter 2 – Csúszó emelőtőke 3 – Szivattyúhenger 4 – Dugattyú 5 – Lezáró golyó 6 – Nyomószelep 7 – Beeresztőszelep 8 – Csatlakozás a nagynyomású rendszerhez (rail-hez) 9 – Beáramlás a kisnyomású rendszerből 10 – Emelőgyűrű 11 – Axiális tömítés 12 – Statikus tömítés 13 – Meghajtótengely
Az elosztócső alumíniumötvözetből készülő rendszer-specifikus alkatrész, mivel „nyomástároló” szerepet is játszik. (Térfogata és alakja tehát befolyásolja a működést.) 2.2.2. Nyomásszabályzó (csak a HDP-1 szivattyúval szerelt változathoz) A HDP-1 szivattyú nyomását az elosztócsőre szerelt nyomásszabályzó állítja be, hiszen üzem közben a rendszer a befecskendezési nyomást változtatja az úgynevezett „kell értékre”. 3
Forrás: Bosch
6. ábra
1 – Elektromos csatlakozó 2 – Nyomórugó 3 – Tekercs 4 – Vasmag 5 – Tömítőgyűrű (O-gyűrű) 6 – Kivezető furat 7 – Szelepgolyó 8 – Szelepülés 9 – Hozzávezetés a szitaszűrőn keresztül
A 6. ábra látható, hogy a tekercs árammentes állapotában a rugóerő tart egyensúlyt, a rendszernyomásból adódó szelepgolyóra ható erővel. Ha a tekercsen áram folyik, annak mágneses ereje hozzáadódik a nyomásból adódó erőhöz, tehát a rendszernyomás csökken. A tekercsen átfolyó átlagáram nagyságát az ECU kitöltési tényező változtatással vezérli. 2.2.3. HDP-2 szivattyú
Forrás: Volkswagen
Forrás: Volkswagen
A HDP-2 szivattyú beépített mennyiségszabályzóval rendelkezik, ezért az igénynek megfelelően szállít. Természetesen, mivel a szivattyú csak a szükséges benzinmennyiség nyomását emeli fel a pillanatnyi rendszernyomás fölé, ezért ennek a szivattyúnak a teljesítményfelvétele kisebb, mint a HDP-1-é. A szivattyú nyomóütemét általában a szívó vezérműtengelyen elhelyezett két-vagy három-profilú bütyök hozza létre. A 7. ábrán látható módon, amikor a dugattyút a rugó az alsó holtpont felé mozgatja, a mennyiségszabályzó szelepet az 7. ábra ECU zárja. Ekkor a nyomásesés hatására a beeresztő szelepen át tüzelőanyag jut a szivattyútérbe. A kieresztő szelep a rajta kialakuló nyomásesés iránya miatt zárt. Amikor a dugattyút a bütyök felfelé mozdítja (8. ábra) a szivattyútérben, a nyomás emelkedik, és a rendszernyomás elérésekor a kieresztő szelep nyit, a tüzelőanyag az elosztócső és a befecskendező szelepek felé áramlik. A beeresztő szelep ekkor még mindig zárt. A megfelelő railnyomás-emelkedés elérésekor a menynyiségszabályzó szelepet az ECU nyitja (9. ábra) és az visszaengedi a „fölösleges” tüzelőanyagot a beeresztő szelep 8. ábra mögé. A beeresztő oldali nyomásingadozást a szivattyúra szerelt nyomáslengéscsillapító hivatott csökkenteni. (A menynyiségszabályzó nyitásakor ugrásszerűen nőne a nyomás.) Természetesen a dugattyút és a hengert itt is a tüzelőanyag keni. A tömítőelem fölötti rész kenésre használt tüzelőanyagot, visszavezetik a tartályba. 9. ábra
Forrás: Volkswagen
4
2.2.4. A nagynyomású befecskendezőszelepek (HDEV) és vezérlésük Forrás: Bosch
10. ábra
1 – Hozzávezetés finom szitaszűrőn keresztül 2 - Elektromos csatlakozó 3 – Nyomórugó 4 – Tekercs 5 – Szelepház 6 – Fúvókatű a vasmaggal 7 – Szelepülés 8 – Szelepkivezető furat
A nagynyomású (közvetlen) benzinbefecskendező rendszereknél a befecskendező szelepekkel és azok vezérlésével szemben szigorúbb követelményeket támaszt a keverékképző rendszer, mint a hagyományos szívócsatorna befecskendezőknél. Ez részben abból adódik, hogy a BDE néhány változata homogén és heterogén (rétegzett) keverék előállítására is alkalmas. Összefoglalóan azt mondhatjuk, hogy a szelepek feladata: meghatározott időben, a meghatározott mennyiségű tüzelőanyag befecskendezése a megfelelő helyre. A szelepek legfőbb jellemzője: direkt vezérlésűek, a nagyobb befecskendezési nyomás miatt igen jó porlasztásúak és gyors működésűek. (Van, amikor csak egy fél ütem áll rendelkezésre a tüzelőanyag bevitelére. Alapjáraton a befecskendezési idő csak kb. 0,4 ms.) Forrás: Bosch
11. ábra
A befecskendező szelepek működését és vezérlését a 10. és 11. ábrán követhetjük nyomon. A gyors működést elsősorban a kis lökethossz, továbbá az emelt (50-90V) működtető-feszültség biztosítja. A szeleptűt árammentes helyzetben rugóerő tartja a szelepülés tömítővállán. Ha a tekercsen áram folyik, a fúvókatűt, mint vasmagot a tekercs mágneses ereje rugóerő ellenében elmozdítja, és a kivezető furaton keresztül a szelep fecskendezni kezd. Az elektrohidraulikus szelepek működtetéséhez az ECU az 50-90V feszültséget kondenzátorok feltöltése útján önindukcióval állítja elő. (Mint a common-rail.) A működtetés a 11. ábra tanúsága szerint az előmágnesezéssel kezdődik. Ekkor a szelep még zárt, mert az ECU csak a meghúzásinál kisebb áramot hoz rajta létre. A tvm-mel jelzett idő leteltét követően a motoragy a nyitni kívánt szelepet hozzákapcsolja az 50-90V-ra előzőleg feltöltött tároló kondenzátorokhoz. A kis ellenállású szelepen ekkor igen gyorsan kezd növekedni az áram, s amikor az biztosan meghaladta a meghúzási értéket, – tehát a fúvókatűt a vasmag már megmozdította – a motoragy áramcsökkentésbe kezd. (A gyors zárás és a melegedés csökkentése céljából szelepáramot a tartóáram (Ih) értékére csökkenti.) Természetesen a fúvókatű elmozdulása a befecskendezés megindulását eredményezi. A befecskendezési ciklus végén az ECU a szelepen igen gyorsan csökkenteni kezdi az áramot. Ezt követően a szeleprugó visszazárja a fúvókatűt és befejeződik a befecskendezés.
2010-04-13 A témakör tizenkilencedik „cikke” kb. egy hónap múlva, jelenik meg!
5
