Elektroniczny wtrysk paliwa (część 1)

W tym tutorialu przyjrzymy się elektronicznemu systemowi wtrysku paliwa. W szczególności skupimy się na czujnikach i przetwornikach oraz ich współpracy z ECM. Artykuł ten opisuje system wtrysku wielopunktowego, natomiast system jedno punktowy będzie opisany w kolejnych częściach tutorialu.

Wprowadzenie

Systemy z wtryskiem wielopunktowym i jednopunktowym działają bardzo podobnie, oba posiadają wtryskiwacze otwierane elektromechanicznie. Czas otwarcia wtryskiwacza jest zależny od szerokości impulsu sterującego a ten jest kontrolowany przez ECM (Electronic Control Module). Zależy on od temperatury silnika, obciążenia silnika oraz informacji z sondy lambda. Ciśnienie paliwa, które ze zbiornika przez filtr trafia do wtryskiwacza jest ustalane przez regulator ciśnienia. Paliwo jest dostarczane do silnika w precyzyjnie określonej dawce i w większości przypadków jest wtryskiwane do kolektora ssącego - tam oczekuje na otwarcie zaworu wlotowego. W ostatnim etapie paliwo jest wciągane do komory spalania przez powietrze wlotowe.

Zbiornik paliwa

W celu pełnego wyjaśnienia działania systemu najlepiej zacząć od jego początku - zbiornika paliwa. W porównaniu do zbiorników pojazdów wyposażonych w gaźniki nowoczesne, zbiorniki paliwa są szczelne co pozwala na naturalne gazowanie paliwa. Gazy wspierają dostarczanie paliwa do pompy paliwa poprzez utrzymywanie niskiego ciśnienia w zbiorniku. Ciśnienie to można zaobserwować w momencie otwierania korka paliwa - słychać wtedy delikatne "syczenie".

Pompa paliwowa

Rysunek nr 1 pokazuje pompę paliwa. Paliwo wchodzące do pompy jest sprężane przez obracające się komory które następnie wyrzucają paliwo pod wysokim ciśnieniem. Pompa paliwowa w zależności od modelu jest w stanie wytworzyć ciśnienie do ok. 8 bar z wydajnością ok. 4-5 litrów na minutę. Dodatkowo pompa jest wyposażona w zawór uwalniający ciśnienie który otwiera się przy 8 bar-ach (widoczny we wlotowej części pompy na rys.1). Zadaniem zaworu jest uwolnienie ciśnienia w przypadku zatkania filtra paliwa lub przewodów paliwowych. Na drugim końcu pompy (wyjściu) znajduje się zawór zwrotny. W momencie wyłączenia pompy zwór zamyka się co ma to celu utrzymanie ciśnienia roboczego w systemie. Pompa pracuje zwykle z ciśnieniem roboczym kilku bar i pobiera prąd od 3 do 5A. Paliwo przechodząc przez pompę paliwową może być narażone na iskry oraz łuk elektryczny co brzmi groźnie lecz nie stanowi to zagrożenia ponieważ wewnątrz pompy nie ma tlenu i nie może dojść do zapłonu.

fuel pump diagram

Rys 1.0 Pompa paliwa

Większość pomp współczesnych pojazdów zamontowana jest w zbiorniku paliwa i nazywa się je potocznie zanurzeniowymi pompami paliwa. Pompa jest umiejscowiona razem z pływakiem - dostęp do obu elementów może być możliwy poprzez otwór inspekcyjny w podłodze bagażnika lub pod siedzeniem pasażera. W niektórych modelach pojazdów w baku znajdują się dwie pompy paliwa.

commutator waveform

Rys 1.1 Przebieg prądowy z pompy paliwa


access to the fuel pump

Rys 1.2 Podłączenie sondy prądowej pod pompkę paliwa

Rysunek 1.1 przedstawia przebieg prądu pobieranego przez każdy sektor komutatora. Większość pomp paliwowych ma od 6 do 8 sektorów. Powtarzalny punkt na przebiegu może wskazać miejsce zużycia komutatora czyli zbliżającą się awarie. Miejsce gdzie dochodzi do mniejszego poboru prądu na jednej sekcji powtarza sie za każdym razem gdy pompa wykona obrót o 360 stopni. Opisany przykład ma 8 sektorów.

Rysunek 1.2 pokazuje gdzie można podpiąć cęgi prądowe w celu dokonania pomiaru poboru prądu przez zanurzoną pompę paliwa.

Wartość poboru prądu pompy jest zależna od ciśnienia paliwa i nie powinna przekraczać 8A.

Dostarczanie paliwa

Typowy system układ paliwowy dostarcza paliwo do szyny paliwowej natomiast niepotrzebne paliwo przechodzi przez regulator ciśnienia z powrotem do zbiornika. To właśnie ograniczenia w przewodach paliwowych tworzone przez regulator ciśnienia dostarczają roboczą ciśnienie systemowi.

Systemy bezzwrotne paliwa

Systemy te zostały wykorzystane przez niektórych producentów, ich działanie polega na dostarczaniu paliwa do szyny paliwowej bez możliwości jego powrotu do zbiornika. Systemy bezzwrotne, zarówno te mechaniczne jak i elektryczne, zostały wymuszone przez prawo emisji spalin. Brak gorącej benzyny powracającej do zbiornika powoduje zmnieszenie emisji oparów. Dodatkowo krótsze przewody paliwowe redukują koszta produkcji.

Mechaniczne systemy bez zwrotu paliwa

System bezzwrotny różni się od normalnych tym, że regulator ciśnienia jest umiejscowiony wewnątrz zbiornika paliwa. Po uruchomieniu pompy paliwo płynie do systemu aż do momentu uzyskania pożądanego ciśnienia, po jego przekroczeniu nadmiar paliwa jest upuszczany przez regulator ciśnienia wprost do zbiornika paliwa.

Regulator ciśnienia w systemie zwrotnym posiada sterowanie podciśnieniem co pozwala zwiększyć ciśnienie paliwa w momencie spadku ciśnienia w kolektorze ssącym. System bezzwrotny nie posiada mechanicznej kompensacji wpływającej na ciśnienie paliwa - ciśnienie jest cały czas wysokie i wynosi przeważnie do 3.5bara. Dzięki zwiększonemu ciśnieniu paliwa ECM może zmieniać szerokość impulsu wtryskiwacza w celu precyzyjnego dostarczania paliwa bez względu na obciążenie silnika oraz bez kompensacji ciśnienia paliwa.

Elektroniczne systemy bez zwrotu paliwa

Ten system ma wszystkie niezbędne komponenty scalone w jednej zatopionej pompie paliwa. Komponent ten to mały filtr cząsteczkowy, pompa, elektroniczny czujnik ciśnienia, czujnik poziomu paliwa oraz system izolacji akustycznej. Elektroniczy regulator ciśnienia pozwala zwiększać ciśnienie w trakcie przyśpieszania dodatkowo wydajność pompy może być dostosowywana do zapotrzebowania silnika. Taki system zwiększa żywotność pompy ponieważ dostarcza ona tylko tyle paliwa ile jest wymagane.

Czujnik ciśnienia dostarcza do ECM niezbędnych informacji dotyczących ciśnienia, natomiast ECM steruje ciśnieniem pompy za pomocą regulatora sterowanego sygnałem o zmiennym wypełnieniu impulsu.

W celu skompensowania zmiennej lepkości paliwa wynikającej ze zmiennej temperatury w systemie, montuje się czujnik temperatury umiejscowiony na szynie paliwowej. Dodatkowo regulator ciśnienia może być umiejscowiony przed lub wewnątrz szyny paliwowej.

Wtryskiwacze

Wtryskiwacz jest urządzeniem elektromechanicznym ,  zasilany 12 V pochodzącymi z przekaźnika wtrysku paliwa lub ECM-u. Napięcie kontrolowane przez przekaźnik jest obecne tylko w momencie kręcenia lub pracy silnika. Wtryskiwacz jest zasilany paliwem pochodzącym z szyny paliwowej. Szerokość impulsu wtryskiwacza zależy od ECM-u i sygnałów jakie docierają do niego z różnych czujników silnika. Szerokość impulsu kompensuje również stopień nagrzania silnika - impulsy jest szerszy przy zimnym silniku i maleje wraz ze wzrostem temperatury. Szerokość impulsów również wzrasta przy przyśpieszaniu a maleje przy spokojnej jeździe.

W trakcie pracy silnika, napięcie jest stale dostarczane do wtryskiwacza, natomiast masa jest przełączana przez ECM. Rys 1.3 pokazuje przykładowy przebieg wtryskiwacza.

injector waveform

Rys. 1.3

Wielopunktowy wtrysk może być sekwencyjny lub równoległy. Równoległe systemy otwierają wszystkie 4 wtryski w tym samym czasie czyli każdy cylinder otrzymuje 2 impulsy wtrysku na jeden cykl ( 720 stopni obrotu wała korbowego). System sekwencyjny otrzymuje tylko 1 wtrysk na cykl, który jest zsynchronizowany z otwieraniem się zaworu dolotowego. W bardzo dużym przybliżeniu impuls wtrysku w normalnej temperaturze silnika na biegu jałowym trwa ok 2,5 ms dla sekwencji oraz 3,5ms dla równoległego wtrysku.

We wtryskiwaczu elektromechanicznym czas reakcji jest krótszy, zależy on od czasu w jakim zostanie wytworzone pole elektromagnetyczne niezbędne do otwarcia iglicy wtrysku, nazwany czasem reakcji. Opóźnienie to jest bardzo istotne przy monitorowaniu pracy silnika, ponieważ czasami może ono zająć 1/3 całej szerokości impulsu. Przebieg na Rys. 1.4 jest dobrym tego przykładem.

Przebieg ten można podzielić na dwa wyraźnie określone obszary. Pierwszy obszar przebiegu pokazuje silę elektromagnetyczną podnoszącą iglicę, w naszym przypadku trwa on 0,8ms. Widać tutaj załamanie przebiegu prądu, typowy dołek świadczący o mniejszym poborze prądu ze względu na skok iglicy.

Opisany test jest idealny do identyfikacji wtrysku z nieakceptowalnie powolnym czasem reakcji elektromagnesu. Taki wtrysk nie dostarcza wystarczającej ilości paliwa do cylindra co powoduje jego niepoprawną pracę.

waveform showing solenoid reaction time

Rys 1.4

Rys 1.5 Napięcie oraz prąd wtryskiwacza.

injector voltage and current waveform

Rys 1.5

Wszystkie pokazane przebiegi zostały zapisane oscyloskopem Pico. Oscyloskopy innych producentów mogą mieć inne zakresy napięć jednak końcowy obraz powinien być podobny.