Dieselmanagement (7) E. Gernaat (ISBN 978-90-79302-03-1)
1
Overige regelingen
De EDC-computer bestuurt niet alleen de hogedruk-inspuitpomp maar ook de andere noodzakelijke motorsubsystemen1 . We denken dan voornamelijk aan: • • • • •
koudstart of voorgloeisystemen; extra koelvloeistofverwarming; EGR-regeling; turboregeling; katalysator-regelingen, zoals eerder beschreven.
2
Voorgloeisystemen
De gloeistiften bevinden zich bij de indirekt ingespoten motoren in de voor- of wervelkamer en bij de direct ingespoten motoren rechtstreeks in de verbrandingsruimte (fig. 1). Gloeistiften, ook wel in het verleden gloeibougies genoemd,
Figuur 1: De plaats van de gloeistiften. Links: voorkamer, midden: wervelkamer, rechts: directe inspuiting (MOT)
hebben een serieuze ontwikkeling doorgemaakt. Momenteel zijn de gloeistiften opgebouwd uit een PTC-weerstand en het eigenlijke gloeielement. De PTCweerstand regelt de temperatuur (fig. 2). Hoewel gloeistiften vroeger in serie werden geschakeld staan ze momenteel altijd parallel. De basisopstelling toont ons fig. 3. De opwarmtijd van moderne stiften bedraagt momenteel maximaal 2 sec. (fig. 4). In de EDC kan een gloeiregeling zijn ge¨ıntegreerd. Men maakt 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing
1
Figuur 2: De gloeistift is opgebouwd uit een PTC-weerstand en een gloeielement.
Figuur 3: Principi¨ele opstelling van een voorgloeisysteem met niet ge¨ıntegreerde voorgloeitimer.
Figuur 4: Een moderne gloeistift is binnen de 2 sec. op bedrijfstemperatuur.
2
onderscheid tussen voor- en nagloeien. Bij moderne motoren is voorgloeien alleen nodig onder een temperatuur van 100 C. Een koelvloeistoftemperatuursensor levert de informatie. De voorgloeitijd is afhankelijk van de motortemperatuur. De bestuurder kan door een controlelampje over het voorgloeien worden ge¨ınformeerd. Na het aanslaan van de motor vindt nagloeien plaats. Hierdoor wordt het motorgeluid, het stationair draaien en de emissie verbeterd. Nagloeien vindt soms ook zonder voorgloeien plaats. Het nagloeien duurt enige minuten, is afhankelijk van de temperatuur en wordt (soms) bij een motortoerental van bijv. 4000 t/min. onderbroken. Fig. 5 geeft een meer gedetailleerd schema van een voorgloeitimer. Wordt de motor bij lage temperatuur gestart dan bepaalt G62 de voorgloeitijd. Het voorgloeien begint met de contact/startschakelaar D. Het controlelampje K29 geeft dit aan. Na het uitgaan van het controlelampje moet de motor gestart worden. Na het aanslaan wordt begonnen met de nagloeifase. De nagloeiduur is afhankelijk van de motortemperatuur. Wordt er niet gestart dan wordt het voorgloeien door een ’time out’ gestopt.
Figuur 5: Gloeisysteem kunnen ook in niet ge¨ıntegreerde vorm voorkomen. Men spreekt dan van een voorgloeitimer. A accu, B startmotor, D contact/startschakelaar, J52 relais gloeibougies, K29 controlelampje voorgloeitijd, S39 zekering voor gloeistiften, G62 sensor koelvloeistoftemperatuur (tek. VAG)
3
3
Extra koelvloeistofverwarming
Omdat het rendement van Dieselmotoren veel hoger ligt, is soms externe koelvloeistofverwarming gewenst. Dit komt omdat er bedrijfsomstandigheden zijn waarbij zo weinig warmte aan het koelwater wordt afgestaan dat de interieurverwarming onvoldoende wordt. Bij Volkswagen worden drie gloeistiften toegepast die in de cilinderkop gemonteerd zijn (fig. 6). Inschakeling hiervan vindt plaats door informatie vanuit de inlaatspruitstuk-temperatuursensor. Is tijdens het starten de temperatuur onder een bepaalde waarde (ongeveer 50 C) dan schakelt de EDC de gloeistiften in. Afhankelijk van de resterende dynamocapaciteit kunnen ´e´en, twee of drie gloeistiften worden ingeschakeld. Dynamo-informatie krijgt de EDC-computer van de DF-aansluiting. Het systeem wordt uitgeschakeld wanneer de koelvloeistof een bepaalde temperatuur heeft bereikt. Ook het commonrail systeem van Toyota heeft een dergelijke
Figuur 6: Opstelling van de gloeistiften (A) in de cilinderkop (VAG)
koelvloeistofverwarming. Fig. 7 toont de opstelling van de componenten. De EDC-computer bepaalt hoeveel verwarmingsstiften worden ingeschakeld. Het aantal ingeschakelde pluggen (stiften) hangt af van : • • • •
koelwatertemperatuur; temperatuur van de aangezogen lucht; aantal ingeschakelde verbruikers; belasting van de dynamo.
4
Figuur 7: Opstelling van de componenten van het koelwaterverwarmingssysteem van Toyota.
4
Uitlaatgasrecirculatie (EGR)
Bij alle EDC-systemen treft men een EGR-systeem aan. Uitlaatgasrecirculatie wordt gebruikt om het NOx aandeel in de uitlaatgassen te verminderen. Door aan de verbrandingslucht uitlaatgas toe te voegen wordt de verbrandingstemperatuur verlaagd en daalt het NOx percentage. Niet onder alle omstandigheden mag bijmenging plaatsvinden. De hoeveelheid uitlaatgas hangt verder af van de bedrijfsomstandigheden. Momenteel is het de EDC-computer die de EGR-klep direct of indirect aanstuurt. Hoewel de aanstuurinformatie veelal via een opzoektabel plaats vindt zijn er een aantal handregels te noemen nl : • •
geen EGR tijdens vollast; in deellast, een uitlaatgaspercentage dat afhangt van de belasting.
De opstelling tussen het in- en uitlaatspruitstuk met daartussen de EGR-klep laat fig. 8 zien (Toyota). Fig. 9 geeft een vacu¨ umgestuurde EGR-klep weer. Een vacu¨ umpomp aangedreven door de nokkenas levert ook de onderdruk aan de vacu¨ umregelklep. De vacu¨ umregelklep ontvangt een pulsbreedte gemoduleerd signaal van de computer waardoor de grootte van de onderdruk wordt geregeld. De onderdruk in samenwerking met een veerbelast membraan in de EGR-klep zorgt voor een afgepaste hoeveelheid uitlaatgas. Momenteel zien we meer en meer elektrisch aangestuurde EGR-kleppen met terugkoppelsensoren. Het is de luchtmassameter (of gasklep) die bepaalt hoeveel uitlaatgas mag worden bijgemengd. Vanuit de inspuithoeveelheid kan de minimaal noodzakelijke
5
Figuur 8: Opstelling van de EGR-klep tussen het in- en uitlaatspruitstuk
Figuur 9: Componenten-opstelling van een computer geregelde vacu¨ umgestuurde EGR-klep
6
hoeveelheid verbrandingslucht worden berekend. In principe kan dan het overschot aan lucht worden vervangen door uitlaatgas. Fig. 10 laat zien onder welke omstandigheden uitlaatgas wordt bijgemengd.
Figuur 10: De grafieken laten zien onder welke omstandigheden uitlaatgas wordt bijgemengd (Mercedes).
5
Turbo-compressoren
De TDI-motoren zijn uitgerust met turbo-compressoren. Turbocompressoren maken drukvulling mogelijk waardoor het specifiek vermogen aanzienlijk toeneemt. De energie in het uitlaatgas drijft de compressor aan. Een ’waste gate’ 7
zorgt ervoor dat de inlaatdruk wordt geregeld door een gedeelte van het uitlaatgas om de compressor heen te leiden. De regeling hiervan gebeurt door een vacu¨ um-gestuurde vuldrukregelaar. De onderdruk wordt verkregen vanuit een vacu¨ umpomp. Fig. 11 geeft schematisch het overzicht. In plaats van een ’waste
Figuur 11: Een turbocompressor met regelbare ’waste gate’ aangestuurd door een vuldrukregelaar
gate’ kan ook een turbo met variabele turbogeometrie (VTG) worden toegepast (fig. 12). Deze heeft in het uitlaatgedeelte een rij instelbare schoepen. De
Figuur 12: Opengewerkte turbocompressor met instelbare schoepen (Toyota)
stand van de schoepen kan pneumatisch of elektrisch worden gewijzigd. Fig. 13 geeft het gehele verstelmechanisme duidelijk weer. Bij lage belasting staan de 8
schoepen gesloten waardoor een hoger turbo-rendement wordt verkregen (fig. 14). Om te voorkomen dat de laadddruk te hoog oploopt worden bij hogere
Figuur 13: Een vacu¨ umversteller zorgt voor de aanpassing van de stand van de schoepen (VAG).
Figuur 14: Schoepenstand voor lichte belasting (links) en zware motorbelasting (rechts). De turbodruk blijft optimaal.
motortoerentallen (belasting) de schoepen in de richting ’open’ gedraaid. De druk in het spruitstuk wordt gemeten en de EDC-computer zorgt ervoor dat via een membraan en een stangenstelsel de schoepen worden verplaatst. Door het vergroten van de schoepopeningen neemt de uitlaatgassnelheid af en derhalve de turbosnelheid. Ook de richting van de uitlaatgasstroom t.o.v. de schoepen wordt be¨ınvloed. Terugkoppeling van de turbostand gebeurt momenteel door een ingebouwde Hallsensor.
9
5.1
Intercooler
Ten gevolge van de turbo-compressie neemt de luchttemperatuur van de verbrandingslucht toe. De temperatuur kan zo hoog oplopen dat koeling wenselijk is. Een kleine radiator aangesloten op het koelsysteem en geplaatst na de turbocompressor koelt de lucht af tot de koelwatertemperatuur. Fig. 15 geeft de componenten-opstelling en fig. 16 toont een paar druk- temperatuurgrafieken van een 2 liter viercilinder Fiat motor met turbocompressor en intercooler.
Figuur 15: Opstelling van een intercooler in het turbo-laadcircuit
Figuur 16: Drukken en temperaturen bij turbo-compressoren (Fiat)
10
5.2
Luchtoevoersysteem
Het luchttoevoersysteem kan uit verschillende componenten bestaan die per merk en type kunnen verschillen. In fig. 17 vinden we een niet merk specifieke opstelling. Vanuit het luchtfilter (niet getekend) passeert de verbrandingslucht de luchtmassameter, veelal uitgevoerd als hittefilmsensor. De turbocompressor aangedreven vanuit de uitlaatgassen zuigt deze lucht aan. Na de turbocompressor zal er sprake zijn van een zekere overdruk maar ook van opwarming zodat een eventuele intercooler gemonterd kan zijn. Hierna kan een gasklep worden aangetroffen, welke echter een geheel andere functie heeft dan bij de mengselmotoren. Deze kan worden bediend door een stappenmotor en regelt bijv. (afhankelijk van het systeem) het inlaatgeruis tijdens het stationair draaien en het afremmen op de motor. Ook bij het stoppen van de motor wordt de gasklep dichtgezet. Bij de Dieselmotoren zonder turbo (SDI) regelt de gasklep het EGR-systeem. Een luchttemperatuursensor en een druksensor kunnen tot slot deel uitmaken van het inlaatluchtsysteem.
Figuur 17: Opstelling van de diverse componenten in het inlaatgedeelte van de motor
6
Compleet EDC-systeem
Tot slot laten we een compleet systeem zien. De werking en de functie van de onderdelen mag weinig problemen meer opleveren. Fig. 18 geeft de componenten opstelling van een EDC-systeem van Volkswagen uitgevoerd met met een Bosch VR-pomp. Fig. 19 laat het elektrische schema zien van het TDI-systeem.
11
Figuur 18: Componentenopstelling van de VAG 2,5 liter TDI-motor 1) hittefilm luchtmassameter, 2) sensor motortoerental, 3) verstuiver met naaldbewegingssensor, 4) gaskleppotentiometer, 5) koelvloeistoftemperatuursensor, 6) spruitstukdruksensor, 7) koppelingspedaalsensor, 8) remlichtpedaalschakelaar, 9) olietemperatuursensor, 10) brandstofgebreksensor, 11) gloeistiften, 12) controlelampje voorgloeitijd, 13) magneetklep laaddrukbegrenzing, 14) magneetklep EGR, 15) magneetkleppen hydraulische motorsteunen, 16) relais pompvoeding, 17) relais voeding brandstofopvoerpomp
12
13
Figuur 19: Het elektrische schema van het EDC TDI-systeem met VR-pomp (tek. Seat)
Onderdelen: E45 schakelaar snelheidsregelsysteem (cruise-control) F remlichtschakelaar F8 kickdownschakelaar F36 koppelingspedaalschakelaar F47 rempedaalschakelaar F60 nullastschakelaar G6 brandstofpomp G8 olietemperatuurvoeler G28 sensor motortoerental G62 sensor koelvloeistoftemperatuur G70 luchtmassameter G71 sensor spruitstukdruk G79 sensor gaspedaalstand G80 sensor verstuivernaaldbeweging G210 sensor voor brandstofgebrek J17 brandstofpomprelais J52 relais gloeibougies J248 motorregelapparaat J322 relais voor diesel directinspuitsysteem J399 regelapparaat van inspuitpomp K29 controlelampje voorgloeitijd N18 magneetklep van uitlaatgasterugvoer N75 magneetklep van laaddrukbegrenzing N144 linker magneetklep van elektro-hydraulische motorsteunen N145 rechter magneetklep van elektro-hydraulische motorsteunen Q6 gloeibougies (motor) extra signalen: A remlichten B voedingsspanning van snelheidsregelsysteem (Cruisecontrol) C inschakeling extra verwarming D signaal van verbruiksbepaling van extra verwarming E inschakelopdracht voor extra verwarming F brandstofgebrek-waarschuwing G naloop koelluchtventilator H buitenluchttemperatuur J dynamo K aircocompressor bedrijfsklaar L uitschakeling aircocompressor M brandstofverbruikssignaal N snelheidssignaal O motortoerental P kabel voor diagnose en wegrijblokkering Q CAN-L regelapparaat automatische bak R CAN-H regelapparaat automatische bak S CAN-L ABS-regelapparaat T CAN-H ABS-regelapparaat U relais voor dynamo-inschakeling
14
Hoewel de functie van de meeste componenten na het voorafgaande goed te herleiden zijn, zijn er een paar bijzonderheden. Twee elektro-hydraulische motorsteunen zorgen ervoor dat in het gehele toerenbereik van de motor zo weinig mogelijk trillingen op de carrosserie worden overgebracht. Men onderscheidt demping tijdens het stationair draaien en tijdens het rijden. Tijdens het stationair draaien (tot 1100 t/min.) staan de steunen in de stand ’soepel’. Boven een toerental van 1100 t/min. schakelt de computer de motorsteunen naar de stand ’stug’. Dit gebeurt door luchtkamers elektro-magnetisch al dan niet van de buitenlucht af te sluiten. De CAN-bus speelt in dit systeem een belangrijke rol. De signalen van het motorregelapparaat en het regelapparaat van de inspuitpomp worden via een CAN-bus overgedragen. Hierdoor zijn slechts twee kabels noodzakelijk. Fig. 20 geeft dit in de vorm van een blokschema weer. Een
Figuur 20: Informatie-uitwisseling tussen de EDC-computer en de regelinformatica van de inspuitpomp vindt plaats via een CAN-bus (VAG).
brandstofgebrek-schakelaar is gemonteerd om te voorkomen dat de pomp zonder brandstof komt te draaien. Koelen en smeren zal dan wegvallen. De motor kan niet meer worden gestart voordat er getankt is.
7
Vragen en opgaven
1. 2. 3. 4. 5.
Is voorgloeien altijd noodzakelijk bij direct ingespoten motoren? Van welke factoren hangt de voorgloeitijd af? Waarom wordt nagloeien toegepast? Hoelang duurt ongeveer het opwarmen van een gloeistift? Omschrijf de juiste startprocedure bij een koude start wanneer een voorgloeitimer volgens fig. 5 is gemonteerd. Waarom treft men bij sommige motoren koelvloeistofverwarming aan?
6.
15
7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.
Wat wordt bereikt met een EGR-systeem? Op welke wijze bepaalt de luchtmassameter de hoeveelheid uitlaatgas voor het EGR-systeem? Op welke wijze zou een gasklep bij Dieselmotoren zonder turbo de EGR kunnen regelen? Tot welk toerental en tot welke belasting is het EGR-systeem volgens fig. 10 (boven) actief? Wat verstaat men onder een turbo-compressor met variabele schoepgeometrie? Hoe zullen de schoepen van een compressor met variabele schoepgeometrie in geval van ’noodloop’ gaan staan? Wat zou worden verstaan onder een luchtgekoelde ’intercooler’? Wat is de maximale druk in het inlaatspuitstuk volgens fig. 16? Tussen welke toerentallen is de druktoename lineair fig. 16? Geef met behulp van fig. 16 aan hoe hoog de temperatuur ten gevolge van het turbocompressor-systeem van de verbrandingslucht kan worden? Welke onderdelen kan men in het inlaatsysteem van een moderne Dieselmotor aantreffen (fig. 17) ? In het schema van fig. 18 treft men motorsteunen aan (15). Wat is zo bijzonder aan deze motorsteunen? Welke informatie loopt er via de CAN-bus tussen regelapparaat van de pomp en de EDC-computer (fig. 20)?
16
