4.5. Villamos gyújtóberendezések (Ötödik rész) A 4.4. cikkünkben bemutatott zárásszög szabályzású, primeráram határolós gyújtóberendezések bár már jeladós gyújtások voltak, de az előgyújtásszög változtatását még mechanikus úton végezték. (Ezért a „Bosch terminológia” ezeket még nem nevezi elektronikus gyújtásoknak, „csak tranzisztorosoknak”.) Az „SZ” és „TZ” gyújtások úgynevezett röpsúlyos és depressziós előgyújtásvezérlőkkel igyekeztek minél pontosabban kielégíteni a motor pillanatnyi előgyújtásszög igényét. Ahhoz azonban, hogy a gyártók kis károsanyag emissziójú, de kellően alacsony fajlagos fogyasztású motorokat tudjanak készíteni egy adott motor-munkapontban, az előgyújtásszöget nagyon pontosan kell beállítani. Gyújtóberendezésekről szóló sorozatunk ötödik cikke az előgyújtásszög-vezérlés kérdésével foglalkozik. 1. Az előgyújtásszög megválasztásának főbb szempontjai 1.1. Az előgyújtásszög nagyságának hatása a motor fajlagos tüzelőanyag-fogyasztására Az 1. ábrán egy motor fajlagos tüzelőanyagfogyasztását láthatjuk a légviszony tényező függvényében, különböző előgyújtászögek alkalmazása esetén. Levonhatjuk azt a következtetést, hogy fajlagos tüzelőanyagfogyasztás (bt) szempontjából a kb. 1,05–1,2 légviszonytényezőjű keverék és a viszonylag nagy – az adott motor, adott munkapontbjában 50º – előgyújtásszög alkalmazása volna a legkedvezőbb.
Forrás: Bosch
1. ábra
2. ábra
A 2. ábrán egy motor-munkapontban – állandó nyomaték (ML), állandó motorfordulatszám (nm); állandó motor-és levegőhőmérséklet (υM és υL), továbbá állandó légiszonytényezőjű keverék (λ= állandó) értékei mellett – az előgyújtásszög változásának a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztásra gyakorolt hatását követhetjük nyomon. Természetesen mindig találunk egy olyan előgyújtásszöget, amely alkalmazása mellett az adott munkaponthoz tartozó legnagyobb teljesítményt, tehát legkisebb fajlagos fogyasztást kapjuk. Gazdaságos üzem (motor összhatásfok) szempontjából ez az optimális előgyújtásszög (αopt), amely értékei a különböző motor-munkapontokban erősen eltérhetnek egymástól. 1.2. Az előgyújtásszög és a légviszonytényező hatása a motor károsanyag kibocsátására
3. ábra
Forrás: Bosch
Tudjuk, hogy az Otto-motorok működésük közben el nem égett szénhidrogéneket (CH, vagy HC-vel jelölik) bocsátanak ki. Ennek elsősorban három fő oka van: a szelepegybenyitásból adódó úgynevezett öblítési veszteség, az el nem égési zónában „megbújó” szénhidrogén és a tökéletlen keverékképzés. A 3. ábra tanúsága szerint − ez egy adott munkapontban üzemelő katalizátor nélküli motor CH kibocsátását ábrázolja a λ függvényében, különböző előgyújtásszögek esetén − a CH emisszió szempontjából a kb. 1,1,-1,2 légviszonytényezőjű keverék és a viszonylag kis előgyújtásszög alkalmazása volna célszerű. Az „előgyújtásszög csökkentési igény” magyarázata: ha az előgyújtásszöget a fajlagos fogyasztás szerinti αopt –ról csökkentjük, a hőenergia kisebb hányada alakul át mechanikai energiává. 1
Ez megnöveli a kipufogógáz hőmérsékletét, ami intenzívebbé teszi az utóoxidációt, azaz a kipufogási ütemben folytatódó oxigén-szénhidrogén egyesülést. Forrás: Bosch
4. ábra
Tudjuk, hogy a nitrogén nem éghető gáz, az csak magas nyomáson és hőmérsékleten lép reakcióba az oxigénnel és (szerencsére) akkor is csak kis hányadában. Az NOX a különböző nitrogénoxidok (az NO, NO2 és NO3 ) gyűjtőneve. Az 4. ábrán a λ és az előgyújtásszög nitrogénoxid kibocsátásra gyakorolt hatását láthatjuk. Az ábra tanúsága szerint NOX emisszió szempontjából a λ≈1 légviszonytényezőjű keverék és a viszonylag nagy előgyújtásszög alkalmazása a legkedvezőtlenebb, hiszen ekkor magas égési hőmérséklet és végnyomás alakul ki. A nitrogénoxidok keletkezése tehát általában akkor a legintenzívebb, amikor egyébként a motor kedvező jellemzőkkel üzemel, hiszen a magas hőmérséklet következtében létrejövő magas nyomás „hajtja jól a motort”.
Forrás: Bosch
A szénmonoxid színtelen, szagtalan gáz, amely erős vérméreg. Ha a levegőben már néhány százalékban jelen van, rövid ideig tartó belégzése halált is okozhat. Léghiányos keverék esetén, a tökéletlen égés következtében keletkezik. Az 5. ábrán megfigyelhető hogy a CO emisszió légviszonytényező növekedésével λ≈1-ig viszonylag intenzíven csökken. Az alkalmazott előgyújtásszögnek csak a dús keverék esetén van hatása a CO emisszióra. Az előgyújtásszögtől való függést ez esetben is az utóoxidáció intenzitás változásával magyarázhatjuk. 5. ábra
1.3. Az előgyújtásszög hatása az égéslefolyásra A motorok üzemeltetése során előfordulhat, hogy a Forrás: Bosch munkatérben rendellenes égéslefolyás – úgynevezett kopogásos égés − alakul ki. Ez fokozottan igénybe veszi a motort, ezért ennek létrejöttét kerülni kell. A 6. ábrán úgynevezett „kiterített” indikátor diagramokat láthatunk, amelyek a főtengely szögelfordulása függvényében ábrázolják a munkatérben uralkodó nyomást, kölönböző előgyújtásszögek alkalmazása esetén. Ha a gyújtóív a Za jelű szöghelyzetben keletkezik, akkor a nyomáslefolyás az „1 jelű” görbe szerinti. A Zc szöghelyzetben − tehát túl későn − indított égés következtében a „3” szerinti nyomáslefutás csak túl alacsony nyomásértékeket, tehát kis teljesítményt 6. ábra indikál. Ha az előgyújtásszöget a szükségesnél nagyobb −Zb− értékűre választjuk, fennáll a veszélye, hogy a túlzottan gyors nyomásemelkedés az égéstérben rendellenes égéslefolyást – nagyfrekvenciás nyomáslengést – von maga után. Ekkor az égést ugyan a gyújtóív indítja, de az égésnél gyorsabban terjedő hőhullám és nyomáshullám az öngyulladáshoz közel álló keveréket több pontban meggyújtja. Az úgynevezett égési gócokból szintén elinduló égéshullámok idézik elő a munkatérben a kialakuló nagyfrekvenciás nyomáslengést. 2
A kopogásos égés túlzottan igény beveszi a motor szerkezeti elemeit, ezért azt el kell kerülni. Fontos tudni, hogy a fajlagos fogyasztás szempontjából megválasztott optimális előgyújtásszög igen sok motor-munkapontban közel van a kopogáshatárhoz, ami azt jelenti, hogy ha az előgyújtásszög csak néhány fokkal nagyobbra alakul, mint az optimális, már létrejöhet a kopogás. 2. Az üzemi feltételek változásának hatása a motor pillanatnyi előgyújtás igényére 2.1. A motorfordulatszám-változás hatása a motor előgyújtás igényére Ha egy gazdaságos üzem szempontjából optimális előgyújtásszöggel (αopt) üzemelő motor fordulatszámát úgy növeljük meg, hogy csak e munkapont-jellemző változzék, (tehát a leadott nyomaték, a motor-és levegőhőmérséklet, valamint a keverék légviszonytényezője változatlan marad), majd megkeressük az új munkaponthoz tartozó gazdaságos üzem szempontjából optimális előgyújtásszöget, az ábra tanúsága szerint azt tapasztalhatjuk, hogy a fordulatszám növelése az előgyújtásszög növelését „igényli”. Magyarázata: Mivel az egyéb munkapont-jellemzők nem változtak, az égés sebessége közel állandó maradt. A dugattyú középsebessége megnövekedett, ezért ha azt szeretnénk, hogy az égési csúcsnyomás a felső holtponttól ne túl távol alakuljon ki (az ún. szimmetrikus égés 6. ábra fennmaradjon), az előgyújtásszöget növelni kell. 2.2. A motorterhelés változásának hatása a motor előgyújtás igényére A motor pillanatnyi terhelését alapvetően a gázpedálállás és a fordulatszám határozza meg. Motorterhelésen az autós terminológiában több egymástól erősen eltérő jellemzőt is értenek. Például: - egy ciklusban beszívott és összesűrített benzin levegő keverék tömegét − ekkor mértékegysége: mg/ciklus - a motor leadott nyomatékát − Nm - a fojtószelep állását − º, vagy V - abszolút szívócsőnyomást − kPa, vagy V - egy légnyelésmérő jelét− kg/h, vagy V A 7. ábra tanúsága szerint, ha a motor terhelése (ML) növekszik, az 7. ábra előgyújtásszöget csökkenteni kell. Magyarázata: Mivel egyéb munkapont-jellemzők ez esetben sem változtak, a terhelés növekedésének hatására növekszik az egy ciklusban beszívott és összesűrített benzin levegő keverék mennyisége. Ez növeli a sűrítési végnyomást és hőmérsékletet, tehát az égés sebességét. Ezért az előgyújtásszöget csökkenteni kell. 2.3. A motorhőmérséklet változásának hatása a motor előgyújtás igényére
A motor hőmérsékletének növekedése a sűrítési véghőmérsékletet és végnyomást emeli. Ez gyorsítja az égést, ezért a motor előgyújtásigénye csökken.
8. ábra
3
2.4. A beszívott levegő hőmérséklet-változásának hatása a motor előgyújtás igényére
A beszívott levegő hőmérsékletének növekedése szintén a sűrítési véghőmérsékletet és végnyomást növeli, ami gyorsítja az égést, ezért a motor előgyújtásigénye csökken.
9. ábra
3. Jellegmezős gyújtások blokkvázlata, működése és jellemzői
10. ábra
Forrás: Bosch
1 – Motorfordulatszám és vonatkoztatási jel 2 – Kapcsolójelek 3 – CAN (soros adatátvitel) 4 – Szívócsőnyomás jel 5 – Motorhőmérséklet jel 6 – Levegő hőmérséklet jel 7 – Fedélzeti feszültség jel 8 – Analóg/digitális átalakító 9 – Mikroszámítógép 10 – Gyújtásvégfokozat
A jellegmezős gyújtások a nevüket onnan kapták, hogy első változataik csak a motorfordulatszám és terhelés (pl. abszolút szívócsőnyomás) függvényében, elektronikus úton a motorigény szerint változtatták az előgyújtásszöget. Ha ezt grafikusan szándékoztak megjeleníteni, akkor egy kétváltozós függvényt, úgynevezett jellegmezőt rajzoltak. Működése A mikroszámítógép a bemeneti információinak egy részét jelformálás után azonnal képes feldolgozni, hiszen ezek digitális formájú információt hordoznak. (Például: motorfordulatszám-és vonatkoztatási jeladó jele.) Az analóg jeleket előbb a jelérzékelés során feszültségjellé alakítják, majd digitalizálják, hiszen a mikroszámítógép digitális jelek feldolgozására képes. A mikroprocesszor a bemeneti információk alapján beazonosítja a motormunkapontot, majd a memóriájában az adott munkaponthoz letárolt zárásszögnek és előgyújtásszögnek (zárásszög-és előgyújtásszög jellegmezőnek) megfelelően nyitásra és zárásra vezérli végfoka kapcsolótranzisztorát. A tranzisztor nyitásakor növekszik a primer áram, zárásakor létrejön a gyújtóív. 4
Forrás: Bosch
11. ábra
A gyújtás jellemzői - a vezérlő a pillanatnyi motorfordulatszámtól, terheléstől, hőmérsékletektől függően optimális előgyújtásszöggel működteti a rendszert. Kb. 1º pontossággal képes kiszolgálni a motor „különlegesen változó igényét”. (A 11. ábrán alul a mechanikus előgyújtásvezérlőkkel − tehát röpsúlyos és depressziós szerkezetekkel − megvalósítható előgyújtás-jellegmezőt tanulmányozhatjuk. Fölötte a motor előgyújtás igénye látható a motorfordulatszám és a terhelés függvényében. Megfigyelhető a kettő közötti jelentős eltérés. Az elektronikusan irányított rendszerek − tehát a jellegmezős gyújtások − gyakorlatilag igen pontosan képesek leképezni a motor igényét, tehát a „felső jellegmező szerint tudnak működni”.) - ha a jellegmezős gyújtások zárásszög vezérlésűek és áramhatárolósak (ez gyakorta igaz), a pillanatnyi zárásszög, és ezáltal a felhalmozott gyújtási energia bármely fordulatszám és fedélzeti feszültség mellett optimálisra tud növekedni, - a rendszer energiatakarékos, - alkalmas lehet a CAN kommunikációra, - ha öndiagnosztikai rendszerrel rendelkezik, akkor általában sorosan diagnosztizálható, - meghatározott hibák esetén képes a kényszerfutásos üzemmódra, - kopogásmentesítő szabályzással az első változatok még nem rendelkeztek.
4. Különböző kialakítású elektronikus gyújtások működési vázlata, működése és jellemzői A 12-14 ábrákon a jellegmezős gyújtások (szekunder kör kialakítása szempontjából) három alaptípusát láthatjuk. 4.1. Elektronikus elosztós gyújtás (EZ) Az elsőnél (12. ábra) még találunk gyújtáselosztót, tehát ez a Bosch terminológia szerint EZ (elektronikus gyújtás), de nem VEZ , tehát nem teljesen elektronikus. A gyújtórendszer bemeneti információi: a motorfordulatszám és vonatkoztatási jel, a fojtószelep-szögállás jel (motorterhelési jel), a motorhőmérséklet és természetesen a fedélzeti feszültség (U15-31). A vezérlőegység a bemeneti információk alapján képezi a gyújtásidőzítő jelet, tehát vezérli a gyújtótekercsre épített gyújtásvégfokot. A végfok üzem közben a megfelelő időpillanatban kapcsolja be, illetve ki a rendszer primer tekercsét. A gyújtáselosztó mindig az épp sűrítési ütemet végző henger gyújtógyertyája felé „közvetíti” az ívet létrehozó szekunder feszültséget. Forrás: Bosch
12. ábra
1 – Gyújtótekercs a ráépített gyújtásvégfokozattal 2 – Nagyfeszültségű elosztó 3 – Gyújtógyertya 4 – Vezérlőegység 5 – Motorhőmérséklet érzékelő 6 – Fojtószelepállás-érzékelő 7 – Fordulatszám és vonatkoztatási jeladó 8 – Fogazott póluskerék a lendítőkeréken 9 – Akkumulátor 10 – Gyújtáskapcsoló
4.2. Elektronikus „kétszikrás” gyújtás (VZ; D-DIS) A teljesen elektronikus gyújtások (VE; DIS) alapvetően két változatban készülnek. A duplaszikrás (parazitaszikrás) rendszereknél (13. ábra) az együtt járó hengerek gyertyáiban egyszerre hoznak létre gyújtóívet azáltal, hogy a szekunder tekercs mindkét végét gyertyakábelekkel hozzákapcsolják az együtt 5
járó hengerek gyertyáihoz. (Például egy négyhengeres soros motornál az 1. és 4., valamint a 2. és 3. hengerek járnak együtt, persze nem azonos ütemeket végeznek.) A rendszer bemeneti információi közel azonosak az elosztós változatéval, de az ábrán bemutatott Bosch rendszernél a motorterhelés precíz érzékelésére a vezérlőbe egy szívócsőnyomás érzékelőt (MAPszenzort) is elhelyeztek. (Ezért van a gyűjtőszívócső összekötve a vezérlővel.) A gyújtás-ECU a bemeneti információk alapján két gyújtásidőzítő jelet képez, amely a vezérlőben két végfok-tranzisztort hajt. Az egyik a „duplatrafó” egyik primer tekercsét, a másik a másikat kapcsolgatja. A rendszer döntő előnye, hogy egy hajtás és helyigényes, mechanikus alkatrészt − a gyújtáselosztót − sikerült a gyújtókörből kiiktatni. Felmerül a kérdés: nem gyújtásenergia pocsékoló-e a parazitaszikrás rendszer? Természetesen pocsékolja az energiát, hiszen akkor is létrehoz ívet, amikor a henger kipufogási ütemet végez. De gondoljuk meg, az elosztós gyújtás is két helyen húz ívet, hiszen a gyújtáselosztóban a rotor és a szegmens nem érintkeznek, tehát ott is keletkezik „élősködő” szikra. Ráadásul a parazitaszikrát létrehozó feszültség (persze ez igaz az elosztóban létrejövő ívre is) kisebb, mint a főszikrát létrehozó, hiszen kipufogási ütemben kisebb a nyomás. Tehát az energiát a rendszer nem felezi, hanem a sűrítési ütemet végzőbe − a nagyobb átütési feszültség miatt − több energiát visz. Forrás: Bosch
13. ábra
1 – Gyújtógyertya 2 – Kétszikrás gyújtótekercs (2x) 3 – Fojtószelepállás-érzékelő 4 – Vezérlőegység 5 – Lambda-szonda 6 – Motorhőmérséklet érzékelő 7 – Fordulatszám és vonatkoztatási jeladó 8 – Fogazott póluskerék (a lendítőkeréken) 9 – Akkumulátor 10 – Gyújtáskapcsoló 11 – A szívócsövet az ECU-ba beépített nyomásérzékelővel összekötő csővezeték
4.3. Elektronikus „egyszikrás” (hengerenként külön gyújtótekercses) gyújtás (VZ; S-DIS) Ennél a gyújtórendszernél annyi gyújtótekercset vezérel a gyújtás-ECU, ahány hengeres a motor. A tekercseket általában közvetlenül ráépítik a gyújtógyertyákra, innen kapták a tekercsek a „gyertyatrafó” el-
14. ábra
Forrás: Bosch
6
1 – Gyújtógyertya 2 – Hengerenkénti gyújtótekercs 3 – Fojtószelepállás-érzékelő 4 – Irányítóegység 5 – Motorhőmérséklet érzékelő 6 – Kopogásérzékelő 7 – Fordulatszám és vonatkoztatási jeladó 8 – Fogazott póluskerék a lendítőkeréken 9 – Akkumulátor 10 – Gyújtáskapcsoló 11 – A szívócsövet az ECU-ba beépített nyomásérzékelővel összekötő csővezeték
nevezést. Gyakori, hogy az ECU csak a gyújtásidőzítő jelet állítja elő, a gyújtásmodult és a végfokot nem az ECU-ba, hanem a gyújtótekercsekbe építik. Természetesen az egyszikrás a megoldásnál a gyújtásvezérlő a bemeneti információk alapján annyi gyújtásidőzítő jelet állít elő, ahány hengeres a motor. Vegyük észre, hogy a példaként közölt gyújtórendszer, már kopogásszenzort is tartalmaz, amely lehetőséget nyújt a kopogásmentesítő szabályzás kialakítására. Az Otto-motorok kopogásmentesítéséről következő cikkünkben írunk majd részletesen. Azt követő gyújtás-témaköri írásainkban még a részletek tisztázása céljából az integrált motorirányítók gyújtóáramköreinél visszatérünk e gyújtások működésére is. 2008-05-13 A témakör hatodik „cikke” három hét múlva jelenik meg!
7
