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

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

2. 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.

3. Přehled částí palivové soustavySoustavu tvoří podobné části jako u čerpadla VE - EDC Nízkotlaká 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.

4. 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.

5. Vstřikovací čerpadloSoučásti, které nejsou vidět, neboť se nachází v čerpadle mají v popisu žlutý podklad. Řídící jednotka čerpadla Snímač teploty paliva Zpětné vedení paliva Vstup paliva ─► ─► ─► ─► POHON Elmagn. ventil regulace množství Vysokotlaké čerpadlo ─► Výstupy paliva ─► Elektromagnetický ventil přesuvníku vstřiku ─► Přesuvník vstřiku

6. 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.

7. Palivový systém – vysokotlaká část 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.

8. Palivový systém – vysokotlaká část Vstřikovače Úkolem 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.

9. Palivový systém – vysokotlaká část Dvoupružinový 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. Vysokotlaký vstup paliva ◄─ ↑ Přepad paliva Tlačná pružina předvstřiku ↑ ◄─── ◄─ Držák trysky Tlačná pružina pro hlavní dávku ◄─── ◄─── Tlačná tyčka ◄─── Dorazové pouzdro ◄─ Převlečná matice ◄─── Vstřikovací tryska

10. Snímání provozních údajů Snímač 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.

11. Snímání provozních údajů Snímač plnícího tlaku Snímač 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.

12. Snímání provozních údajů Snímač atmosférického tlaku vzduchu Snímač 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.

13. Snímání provozních údajů Snímač 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

14. Snímání provozních údajů 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.

15. Snímání provozních údajů Snímač 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.

16. Snímání provozních údajů Snímač teploty motoru Je 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.

17. Snímání provozních údajů Snímač teploty paliva Je 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 vzduchu Snímač se nachází na sacím potrubí za chladičem stlačeného vzduchu. Je to NTC odpor a slouží pro korekci skutečné hmotnosti nasávaného vzduchu. Snímač teploty oleje Je 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.

18. Snímání provozních údajů 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).

19. Snímání provozních údajů Spínač spojkového pedálu Nachází 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.

20. Snímání provozních údajů 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.

21. Snímání provozních údajů Snímač 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 tempomatu Je umístěn na páčce pod volantem a pomocí něj se zapíná či trvale vypíná funkce tempomatu. Spínač klimatizace Je umístěn na ovládacím panelu klimatizace. Je-li klimatizace zapnuta a řidič prudce akceleruje, dojde krátkodobě k vypnutí kompresoru klimatizace. Spínač předžhavení Spínač bývá integrován ve dveřích řidiče A po jejich otevření aktivuje žhavení motoru, aby řidič mohl dříve startovat.

22. Akční členy Vysokotlaký 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. ─►

23. Akční členy Elektromagnetický 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.

24. 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 .

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

26. 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

27. Regulační funkce řídící jednotky Regulace 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.

28. Regulační funkce řídící jednotky 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.

29. Regulační funkce řídící jednotky 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.

30. Regulační funkce řídící jednotky Regulace 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.

31. Regulační funkce řídící jednotky 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.