Układy zasilania silników wysokoprężnych koncernu V.A.G. cz. 8.

Bosch

W 2010 roku Volkswagen w przekonstruowanym silniku 4.2 TDI zaadoptował układ Common Rail trzeciej generacji firmy Bosch. Nowy system zasilania wyposażono we wtryskiwacze z piezoelektrycznymi elementami sterującymi, pompę wysokiego ciśnienia o podwyższonej wydajności oraz pompę elektryczną typu GX1 kontrolowaną przez sterownik J538. Pozwoliło to ośmiocylindrowej jednostce osiągnąć moc maksymalną 250 kW przy 4000 obr./min oraz rozwinąć maksymalny moment obrotowy równy 800 Nm w przedziale: 1750–2750 obr./min.

Dzięki wysokiemu ciśnieniu wtrysku paliwa dochodzącemu maksymalnie do 2000 barów paliwo jest rozpylane bardzo dokładnie, więc silnik 4.2 TDI charakteryzuje się cichą i równomierną pracą.  System oczyszczania spalin składa się z niskotemperaturowej recyrkulacji spalin, katalizatora utleniającego oraz filtra cząstek stałych, co umożliwiło dostosowanie jednostki napędowej do wymogów normy Euro 5. Układ sterowania silnika typu Bosch EDC 17 rozszerzono o funkcje kontroli pompy olejowej o zmiennej wydajności, wprowadzono dodatkowy sterownik (J538) elektrycznej pompy paliwa GX1 oraz opracowano program monitorujący prędkość obrotową dwóch turbosprężarek. Efektywność układu chłodzenia silnika została zwiększona poprzez zastosowanie nowej strategii rozdziału ciepła generowanego przez jednostkę napędową. Realizacja programu ITM (Innovative Thermomanagement) pozwala sterownikowi silnia za pośrednictwem magistrali CAN rozpoznać zapotrzebowanie na ciepło poszczególnych podzespołów pojazdu (silnik, skrzynia biegów, wnętrze pojazdu). Pompa cieczy chłodzącej silnika 4.2 TDI jest wysterowywana zaworem elektromagnetycznym i uruchamiana w zależności od stanów termicznych silnika. Tak kontrolowany przebieg cyrkulacji cieczy chłodzącej wpływa bezpośrednio na zmniejszenie strat tarcia wewnętrznego zarówno w samym silniku, jak i w skrzyni biegów. Szereg zastosowanych innowacji w połączeniu z wydajnym układem zasilania typu Common Rail pozwolił zredukować emisje szkodliwych składników oraz znacznie ograniczyć zużycie paliwa.  

Reklama

Praca silnika 4.2 TDI o oznaczeniu CKDA kontrolowana jest za pomocą programu sterującego Bosch EDC 17. Dane niezbędne do analizy stanu 8-cylindrowej jednostki trafiają z ponad 25 czujników i są przetwarzane w dwóch odrębnych sterownikach silnika (nadrzędnym J623 i podrzędnym J624), które zapewniają sterowanie blisko czterdziestoma podzespołami wykonawczymi. Schemat przesyłu danych układu sterowania i zasilania Common Rail silnika 4.2 TDI pomiędzy sterownikami silnika a sensorami i elementami wykonawczymi przedstawiony jest na ilustracji 1, indeksy w nawiasach () odnoszą się do poszczególnych podzespołów.

Ilustracja 1. Schemat poglądowy układu sterowania silnika 4.2 TDI. Kolorem zielonym oznaczono sygnały przekazywane z czujników do sterowników silnika, kolorem niebieskim sygnały sterujące przesyłane ze sterowników do elementów wykonawczych. Kolor pomarańczowy oznacza kierunki transmisji danych poprzez sieć CAN. Opis poszczególnych indeksów w tekście. © VW

Ilustracja 1. Schemat poglądowy układu sterowania silnika 4.2 TDI. Kolorem zielonym oznaczono sygnały przekazywane z czujników do sterowników silnika, kolorem niebieskim sygnały sterujące przesyłane ze sterowników do elementów wykonawczych. Kolor pomarańczowy oznacza kierunki transmisji danych poprzez sieć CAN. Opis  poszczególnych indeksów w tekście.

Główny sterownik silnika J623 (27) odbiera sygnały od następujących czujników:
(1) przepływomierza powietrza G70 pierwszego rzędu cylindrów,
(2) czujnika temperatury zasysanego powietrza G42,
(3) czujnika ciśnienia doładowania G31,
(5) czujnika temperatury płynu chłodzącego G62,
(6) czujnika temperatury oleju G8,
(7) czujnika temperatury paliwa G81,
(8) czujnika ciśnienia paliwa G247,
(9) czujnika wyjściowej temperatury płynu z chłodnicy G83,
(10) czujnika położenia wałka rozrządu G40,
(11) czujnika nr 1 położenia pedału przyspieszenia G79,
(12) czujnika nr 2 położenia pedału przyśpieszenia G 185,
(13) czujnika nr 1 ciśnienia spalin G450,
(14) czujnika nr 1 temperatury spalin G235,
(15) sondy lambda G39 dla cylindrów drugiego rzędu,
(16) czujnika nr 1 temperatury katalizatora G20,
(17) czujnika nr 3 temperatury spalin G495,
(18) czujnika nr 4 temperatury spalin G648,
(19) czujnika poziomu i temperatury oleju G266,
(20) czujnika włącznika świateł stopu F.

Do podrzędnego sterownika silnika J624 (28) docierają dane z czujników:
(21) czujnika nr 2 ciśnienia spalin G451,
(22) sondy lambda G108 dla cylindrów drugiego rzędu,
(23) czujnika nr 2 temperatury katalizatora G29,
(24) czujnika nr 3 temperatury spalin w drugim rzędzie cylindrów G497,
(25) przepływomierza powietrza G246 drugiego rzędu cylindrów,
(26) czujnika nr 1 temperatury spalin G 236 w drugim rzędzie cylindrów.

Podzespoły wykonawcze regulowane za pośrednictwem sterowników J623 i J624 silnika to:
(30) piezoelektryczne wtryskiwacze N30, N33, N84, N85 cylindrów 1-4-6-7,
(31) sterownik świec żarowych J179,
(32) świece żarowe Q10, Q13, Q15, Q16 cylindrów 1-4-6-7,
(33) elektromagnetyczny zawór regulacji ciśnienia paliwa N276,
(34) sterownik przepustnicy J338,
(35) silnik sterujący przepustnicą,
(36) nastawnik zaworu recyrkulacji spalin V338,
(37) elektromagnetyczny zawór dozownika paliwa N290,
(38) elektromagnetyczny zawór chłodnicy recyrkulacji spalin N345,
(39) przekaźnik podzespołów sterowania silnika J757,
(40) sterownik pompy paliwa J538,
(41) elektryczna pompa paliwa GX1,
(42) element grzewczy sondy lambda Z19,
(43) pompa płynu układu chłodzenia,
(44) pompa chłodnicy recyrkulacji spalin V400,
(45) sterownik turbosprężarki nr 1 J724,
(46) sterownik turbosprężarki nr 2 J725,
(47) piezoelektryczne wtryskiwacze N31, N32, N83, N86 cylindrów 2-3-5-8,
(48) element grzewczy sondy lambda drugiego rzędu cylindrów Z28,
(49) silnik sterujący przepustnicą V275 drugiego rzędu cylindrów,
(50) sterownik świec żarowych J703 drugiego rzędu cylindrów,
(51) świece żarowe Q11, Q12, Q14, Q17 drugiego rzędu cylindrów,
(52) nastawnik zaworu recyrkulacji spalin V339,
(53) sterownik przepustnicy J544 drugiego rzędu cylindrów.

Reklama

Zapalenie się lampek kontrolnych: świec żarowych (54), spalin (55) lub (56) filtra cząstek stałych w zestawie wskaźników informuje kierującego o danej fazie pracy silnika lub sygnalizuje awarię. Sterownik zestawu wskaźników J285 oznaczony (29) uaktywnia daną kontrolkę na podstawie parametrów otrzymywanych od sterowników silnika.   

Układ zasilania silnika 4.2 TDI typu Common Rail składa się z obwodu niskiego i wysokiego ciśnienia oraz obwodu przelewowego. Sterownik silnika reguluje parametry ciśnienia paliwa w obwodzie niskiego ciśnienia za pośrednictwem elektrycznej gerotorowej pompy paliwa GX1. W obwodzie wysokociśnieniowym sygnały ze sterownika kontrolują ciśnienie paliwa za pomocą elektrozaworów N276 oraz N290. Taki sposób regulacji zapewnia natychmiastową reakcję na żądanie kierującego, pozwalając zminimalizować straty mocy potrzebne do napędu pompy wysokiego ciśnienia oraz obniżyć temperaturę paliwa. Obwód układu zasilania został przedstawiony na ilustracji 2.

Ilustracja 2. Schemat obwodu zasilania silnika 4.2 TDI. Oznaczenie kolorów: jasnobrązowy – obieg zasilający, ciemnobrązowy – obieg wysokiego ciśnienia, żółty – obieg powrotny, brązowa linia przerywana – obieg przelewowy. © VW

Ilustracja 2. Schemat obwodu zasilania silnika 4.2 TDI. Oznaczenie kolorów: jasnobrązowy – obieg zasilający, ciemnobrązowy – obieg wysokiego ciśnienia, żółty – obieg powrotny, brązowa linia przerywana – obieg przelewowy.

Gerotorowa elektryczna pompa paliwa [1] zasysa paliwo ze zbiornika, przetłaczając je do filtra paliwa [2]. Prędkość obrotowa pompy GX1 jest zmienna i zależna od wielu parametrów (moment obrotowy silnika, położenie pedału gazu), jej wartość kontroluje sterownik pompy J538 [11]. Maksymalna wydajność pompy wynosi 220 l/min przy ciśnieniu roboczym od 3,5 bara do 6 barów. Czujnik temperatury G81 [3] wysyła sygnał informujący sterownik silnika J623 [7] o temperaturze paliwa, który jest kluczowym parametrem podczas rozgrzewania jednostki napędowej. Pompa wysokiego ciśnienia [4] to pompa dwutłoczkowa o obniżonej masie i napędzie realizowanym za pośrednictwem paska zębatego. Ciśnienie paliwa, które generuje pompa, jest magazynowane w zasobnikach wysokociśnieniowych danego rzędu cylindrów [12], co pozwala na oddzielenie procesów wytwarzania i wtrysku paliwa. Elektromagnetyczny zawór [5] dozujący paliwo N290, umieszczony w pompie wysokiego ciśnienia, pełni funkcję podzespołu regulującego ilość strumienia paliwa doprowadzanego do komory tłoczenia pompy. Zakres regulacji realizowanej przez N290 obejmuje fazy, gdzie zarówno ciśnienie w zasobnikach, jak i dawki paliwa są wysokie. Podczas uruchamiania silnika regulacja ciśnienia paliwa odbywa się za pośrednictwem elektromagnetycznego zaworu N276. Zawór N276 [9] jest wbudowany w zasobnik wysokiego ciśnienia dla pierwszego rzędu cylindrów (ilustracja 3).

Ilustracja 3. Przestrzenne rozmieszczenie podzespołów układu Common Rail silnika 4.2 TDI. © VW

Ilustracja 3. Przestrzenne rozmieszczenie podzespołów układu Common Rail silnika 4.2 TDI.

Najdokładniejszym trybem regulacji w obwodzie wysokiego ciśnienia jest tryb regulacji wspólnej, w którym sterownik silnika kontroluje wartość ciśnienia paliwa przy pomocy obu elektrozaworów. Regulacja za pomocą zaworów N290 i N276 następuje w fazie pracy silnika przy niewielkich obciążeniach, na biegu jałowym, jak i podczas hamowania silnikiem. Na podstawie sygnałów z czujnika ciśnienia paliwa G247 [8] umieszczonego w zasobniku drugiego rzędu cylindrów (ilustracja 3) sterownik silnika może właściwie kontrolować proces regulacji ciśnienia, jak i potwierdzać jego realizacje. Wtryskiwacze z piezoelektrycznymi zaworami sterującymi [10] odpowiadają za precyzyjne dawkowanie paliwa do cylindrów. Zastosowanie piezoelektrycznego elementu wykonawczego pozwoliło na osiągnięcie bardzo szybkich czasów wtrysku paliwa oraz umożliwiło podzielenie fazy wtrysku na wiele etapów. Wpłynęło to bezpośrednio na charakterystykę silnika 4.2 TDI, zapewniając mu elastyczną i miękką pracę. Gdy jednostka napędowa zostanie uruchomiona i następuje jej nagrzewanie, do cylindra wtryskiwane jest paliwo w dwóch dawkach pilotujących i jednej głównej. Przy średnich obciążeniach fazę wtrysku głównego zapoczątkowuje wtrysk wstępny, przy obciążeniach maksymalnych sterownik realizuje już tylko wtrysk dawki głównej. Proces regeneracji filtra cząstek stałych wspomagany jest wtryskami dodatkowymi, co podnosi efektywność spalania sadzy.   

Zawór stabilizujący ciśnienie [6] w przewodach przelewowych wtryskiwaczy ustawiony jest na wartość 10 barów. Taki pułap ciśnienia zapewnia właściwą pracę piezoelektrycznych wtryskiwaczy. Fale ciśnienia generowane podczas wtrysków przemieszczają się we wnętrzu zasobników, co wpływa szkodliwie na proces sterowania fazami wtrysku. Specjalne zwężki przy wtryskiwaczach, zasobnikach i pompie wysokiego ciśnienia pozwalają skutecznie ograniczyć to zjawisko. Kształt tych zwężek może zostać zmieniony, gdy dokręcanie przewodów na wtryskiwaczach oraz pomiędzy zasobnikami zostanie wykonane bez uwzględnienia wymaganego momentu.

O Autorze

Inżynier mechanik, autor materiałów szkoleniowych dla branży motoryzacyjnej, audytor branży motoryzacyjnej

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę