E. Gernaat (ISBN , uitgave 2012)

Transcriptie

1 Dieselmanagement (4) E. Gernaat (ISBN , uitgave 2012) 1 Elektronisch geregelde verdeelpompen Evenals bij de benzinemotoren heeft ook bij de Dieselmotoren de besturingscomputer zijn intrede gedaan. De regeling van het inspuitsysteem staat geheel onder controle van een computer. Men spreekt van Electronic Diesel Control (EDC). Het zal duidelijk zijn dat het belangrijkste aan te sturen onderdeel van een Dieselmotor de hogedruk-brandstofpomp is. Maar ook anderen systemen zoals voorgloei, uitlaatgasrecirculatie en turbolading worden door de EDCcomputer geregeld. We beschrijven een tweetal elektronisch gestuurde Bosch pompen te weten de VP- en de VP44-pomp. 2 Bosch VP-pomp Wanneer we de Bosch VP-pomp van fig. 1 vergelijken met de Bosch VE-pomp dan zien we dat het hart van de pomp onveranderd is. Gelijk zijn de ingaande as met de opvoerpomp (8), de nokkenring (6), de regelschuif (5) en het pompverdeelhuis met daarin de pompplunjer (3). Verder zien we de drukregelaar (4) met de inspuitmomentversteller (10) die nu PWM-gestuurd wordt. De brandstofstop die elektrisch bekrachtigd wordt, wordt met (9) aangegeven. Nieuw zijn de componenten gemonteerd bovenin de pomp nl. de stelmotor of beter gezegd de actuator (2) voor de stand van de regelschuif (5) en een opbrengstof regelschuifpositiesensor (1) die de computer informeert omtrent de stand van de regelschuif Actuator voor de opbrengst ( stelmotor regelschuif) De opbrengst-actuator (2) bestaat uit een as, die met behulp van een excentriek aan onderzijde, verbonden is met de regelschuif. Aan de bovenzijde is de as bevestigd aan een draaibare permanente magneet. Een vast gemonteerde elektromagneet wordt door de EDC-computer pulsgewijze aangestuurd. Afhankelijk van de duty-cycle wordt de permanente magneet meer of minder door de elektromagneet (tegen de veerspanning in) aangetrokken. Hierdoor verdraait 1

2 Figuur 1: Doorsnede van de Bosch VP-pomp 1) opbrengstsensor, 2) actuator opbrengst, 3) pompplunjer, 4) drukregelaar, 5) regelschuif, 6) nokkenring, 7) rollenring, 8) opvoerpomp, 9) (elektro)stopklep, 10) inspuitmomentversteller 2

3 de as en derhalve de excentriek en verschuift de regelschuif (Zie fig. 2). Wanneer de elektromagneet niet wordt bekrachtigd dan trekt de veer de regelschuif naar de nulopbrengst. Er zijn een aantal bijzonderheden: Figuur 2: Links: de plaats van de opbrengstsensor (1), de opbrengstactuator (2) en de temperatuursensor (3) in de pomp. Rechts: werkings-principe van de opbrengstactuator (stelmotor regelschuif) De opbrengst-actuator gedraagt zich progressief. Zowel de duty-cycle als de frequentie (200 tot 500 Hz) worden door de computer aangepast. Aangezien de elektromagneet massa-gestuurd is zal een duty-cycle met een grotere laag / periodeverhouding de elektromagneet sterker bekrachtigen en zal de opbrengst toenemen. Wanneer bij een bepaalde gewenste opbrengst ongeveer 1/4 van de noodzakelijk regelweg is afgelegd wordt voor een snellere verplaatsing de frequentie geleidelijk opgevoerd totdat de gewenste stand is bereikt Opbrengst- of regelschuifpositiesensor (fig. 3) De opbrengstactuator verdraait de excentriek op de as waardoor de opbrengst verandert. Een opbrengstsensor controleert of de gewenste stand (opbrengst) ook bereikt is. Het betreft hier een inductieve sensor met kortsluitring. De complete sensor bestaat uit 2 spoeltjes. Een spoel waarvan de kern is uitgevoerd met een vaste kortsluitring ontvangt van de computer een sinusvormige wisselspanning met een frequentie van 10 khz en constante amplitude. De inductiviteit van de spoel L0 is constant. Ook voorziet de computer de andere spoel van een sinusvormige spanning maar deze is in fase verschoven. Indien beide amplituden aan elkaar gelijk zijn dan is de som van de spanningen gelijk aan nul. In werkelijkheid wordt door het regelcircuit de spanning op 2,5 V gehouden door de amplitudes met een vaste waarde van elkaar te laten verschillen. De tweede kortsluitring is verbonden met de regelschuifas en beïnvloedt bij verdraaiing de luchtspleet en derhalve de inductiviteit van de spoel (L1). De sleuf 3

4 Figuur 3: Het elektrische principe van de opbrengstsensor heeft hiervoor een conisch verloop. De verhouding tussen L0 en L1 is proportioneel met de verplaatsing van de regelschuifas. De verandering van de inductiviteit geeft ook een evenredige amplitude-verandering waardoor de spanning in het knooppunt ongelijk aan nul of beter gezegd ongelijk aan de referentie spanning (= 2,5 V) wordt. Het regelcircuit tracht het evenwicht te behouden door de amplitude weer aan te passen. De analoge spanning die hiervoor nodig is dient als gemeten waarde. Deze waarde wordt intern door de computer verwerkt en kan aan de buitenzijde niet worden gemeten. Regeltechnisch kan de opbrengstregeling voorgesteld worden als fig. 4. Fig. 5 geeft de aansluitingen Figuur 4: Opbrengstregeling regeltechnisch voorgesteld. van de opbrengstsensor en de actuator alsmede de brandstoftemperatuursensor op de EDC-computer. 4

5 Figuur 5: Aansluiting van de opbrengstregelcomponenten aan de EDC-computer van een Bosch VP 36/37 computer op een 1,9 TDI-motor. G81 brandstoftemperatuursensor, G149 opbrengstsensor (positie regelschuif), N146 opbrengstactuator (stelmotor regelschuif) Inspuitvervroeging (fig. 6) Het inspuitmoment wordt net als bij de mechanische VE-pomp bepaald door de stand van de rollenring. De rollenringstand wordt aangepast door een inspuitversteller (plunjer) die wordt bekrachtigd door de afgeregelde druk verkregen vanuit de elektronisch aangestuurde drukregelaar N108. We zien in fig. 6 rechts dat de brandstof onder druk aan de bovenzijde binnenkomt waardoor de ring tegen de veerdruk in in de richting vroeg zal bewegen. Wanneer de computer vaststelt dat de vereiste vervroeging is bereikt zal de klep N108 openen waardoor de brandstof terug kan stromen naar de aanzuigkant (retour) van de schottenpomp. De regeling is pulsbreedte gestuurd. Pas boven een bepaald toerental wordt er vervroegd. Fig. 7 laat de aansluiting zien van Figuur 6: Inspuitvervroeging door het verdraaien van de rollenring. De drukregelaar regelt de druk door de retour van de brandstof te reguleren. de vervroegingsdrukregelaar op de EDC-computer en het oscilloscoopbeeld bij stationair draaiende motor en tijdens plotseling gasgeven. De inspuitvervroeging die bepaald wordt door de informatie verkregen uit de diverse sensoren 5

6 signaal bij stationair draaaien computer signaal tijdens acceleratie 1 V/div 10 ms/div Figuur 7: Elektrische aansluiting (links) en aanstuursignalen (rechts) van de inspuitvervroegingsregelaar (motortoerental, vullingsgraad, temperatuur e.d.) wordt door het systeem door middel van terugkoppeling gerealiseerd. Hiervoor is -zoals we al eerder hebben opgemerkt- de verstuiver van één cilinder voorzien van een spoeltje. Door het lichten van de naald variëert de zelfinductiecoëfficiënt van de spoel. Deze verandering wordt door de computer geregistreerd. Uit het tijdverschil tussen het verstuiversignaal en het krukasreferentiesignaal berekent de EDCcomputer het werkelijke inspuittijdstip. Dit wordt vergeleken met het gewenste inspuittijdstip zoals door de sensoren is aangegeven. Zonodig vindt bijstelling plaats. Fig. 8 geeft de verstuiver met naaldverplaatsingssensor, de aansluiting hiervan op de EDC-computer en het met de oscilloscoop gemeten signaal weer. Regeltechnisch kan het inspuitvervroegingssysteem worden voorgesteld volgens fig. 9. Met behulp van informatie verkregen van de sensoren wordt door de computer de gewenste vervroegingswaarde vastgesteld. Veelal geschiedt dit d.m.v. een opzoektabel. Een daarbij behorent PWM-signaal wordt naar de spoel van de inspuitversteller gestuurd. Na het inlezen van het verstuiversignaal en het krukasreferentiesignaal wordt het gewenste en werkelijke inspuitmoment met elkaar vergeleken. Bij afwijking hiervan wordt het PWM-signaal naar de inspuitversteller aangepast De gaspedaalsensor De EDC-computer krijgt via de gaspedaalsensor informatie binnen omtrent de door de bestuurder gewenste motorbelasting. Afhankelijk hiervan zal de brandstofhoeveelheid worden gewijzigd. De computer verbindt hier echter een aantal voorwaarden aan. Zo mag bijv. het maximum motortoerental niet worden overschreden. De regelateurfunctie, zoals eerder beschreven, wordt op deze wijze 6

7 Figuur 8: Doorsnede van de verstuiver met naaldverplaatsingssensor, de aansluiting van de verstuiver op de EDC- computer en het verstuiversignaal. Figuur 9: Regeltechnische voorstelling van de regeling van het inspuitmoment 7

8 gerealiseerd. Een gasklepschakelaar geeft aan dat de motor stationair draait. Het voorgeprogrammeerde stationair toerental kan worden gehandhaafd door de opbrengst te wijzigen. Hiermee is ook de stationairregeling een feit. Fig. 10 geeft het aanzicht van een gasklepsensor, de aansluiting op de computer en de uitgangsspanning. Tot slot de krukassensor (fig. 11) als toerental- en referen- Figuur 10: Links boven: aansluiting van de gaspedaalsensor op de EDC computer, links onder: verloop uitgangsspanning. Rechts: aanzicht van de gaspedaalsensor tiepuntgever zoals toegepast wordt op de Citroën Dieselmotoren. Het gaat om een inductieve sensor die signalen opwekt bij het passeren van metalen stiften. De stiften zijn gemonteerd om de 90 0 en 5 0 voor het BDP. Figuur 11: De krukassensor als toerental- en referentiepuntgever (Citroën) 8

9 3 Bosch VP44 De Bosch VP44 (fig. 12) is een radiaal pomp dat wil zeggen dat de inspuitplunjers dwars op de aandrijfas staan en niet zoals bij de VE- en VP-pomp in de lengterichting van de as. De pomp lijkt wat dat betreft op de EPIC-pomp van Lucas. Evenals bij de andere roterende pompen zuigt de hogedrukpomp zelf de brandstof aan en wordt de inspuitvervroeging geregeld. De inspuitdruk bedraagt max bar. Het aanzuigen van de brandstof geschiedt door een Figuur 12: Opengewerkte tekening van de Bosch VP44-S5 pomp (tekening Bosch) 1) hogedrukruimte, 2) overstroomventiel, 3) magneet-hoeveelheidsregelklep, 4) persklep, 5) verdeelstuk, 6) magneetklep inspuitvervroeger, 7) hogedrukplunjers, 8) nokkenring, 9) brandstofopvoerpomp, 10) hoeksensor, 11) aandrijfas interne vleugelpomp (9). De gehele pomp is met brandstof gevuld. Een drukregelklep (2) zorgt ervoor dat er een afgeregelde brandstofdruk heerst. Een magneetklep (3) regelt de hoeveelheid in te spuiten brandstof. Wanneer de magneetklep geopend is worden de plunjers naar hun onderste stand gedrukt en kan de brandstof de ruimte tussen de hogedrukplunjers vullen (fig. 13). Wanneer de pomp draait dan worden de plunjers naar binnen gedrukt door de nokken op de nokkenring. Wanneer de magneetklep gesloten is kan druk worden opgebouwd en wordt door het draaien van de verdeleras de verbinding met e e n van de verstuivers gemaakt en kan de inspuiting plaats vinden (fig. 9

10 Figuur 13: Een vleugelpomp (boven) perst de brandstof via de openstaaande magneetklep naar de ruimte tussen de hogedrukplunjers (onder). Tek. VAG 10

11 Figuur 14: De nokken op de nokkenring drukken de plunjers naar binnen en zorgen voor de inspuiting. De magneetklep dient gesloten te zijn (tek. VAG). 11

12 14). De hogedrukmagneetklep wordt bediend door het regelapparaat. De klep sluit in de onderste plunjerstand. Het tijdstip van sluiten bepaalt het opbrengstbegin van de pomp. De brandstofopbrengst wordt bepaald door het moment dat de magneetklep door het regelapparaat weer geopend wordt. Met zou kunnen spreken van een duty-cycle geregeld signaal. De nullastopbrengst bedraagt ongeveer 5 mm 3 per inspuiting en maximaal kan 55 mm 3 worden ingespoten. Omdat bij het uitschakelen van het contact de magneetklep open gaat kan geen brandstof meer worden weggeperst waardoor de motor stopt. Een stopklep is derhalve overbodig (fig. 15). Figuur 15: Omdat bij het stilzetten van de motor de magneetklep niet bekrachtigd wordt zal er geen inspuiting kunnen plaatsvinden. Een stopklep is overbodig (tek.vag) Inspuitverstelling (fig. 16) De informatie omtrent de inspuitverstelling krijgt het EDC-regelapparaat van de verstuivernaaldsensor, de koelvloeistoftemperatuursensor en de motortoerentalsensor. De belastingsinformatie wordt verkregen vanuit de berekende hoeveelheid brandstof. Door verdraaiing van de nokkenring kan het inspuitmoment worden versteld. De nokkenring is hiervoor verbonden met de plunjer van de inspuitregelaar. In de rusttoestand drukt de veer de nokkenring naar links in de positie laat. Zie de bovenste figuur. Waneer de motor draait zorgt de opvoerpomp met drukregelaar voor een brandstofdruk evenredig met het toerental. De stuurdruk voor de inspuitvervroeging wordt verkregen door de inspuitbeginklep. Als het toerental toeneemt wordt de brandstofdruk door de klep inspuitbegin toegelaten tot de ringvormige kamer (fig. links onder). Hierdoor 12

13 wordt de doseerzuiger naar rechts gedrukt en komt de opening vrij waardoor brandstof onder druk achter de plunjer van de inspuitregelaar wordt toegelaten. De nokkenring verdraait naar rechts en de inspuiting wordt vervroegd (fig. rechts onder). De met het toerental variërende brandstofdruk zorgt dan voor de toerental-afhankelijke inspuitvervroeging. Figuur 16: Opstelling van de inspuitmomentversteller. Boven: in rustoestand drukt de veer de nokkenring naar de laat positie. Links onder: vanuit de inspuitbeginklep wordt brandstof onder druk toegelaten tot de ringvormige kamer. Rechts onder: de brandstof onder druk komt nu achter de zuiger van de regelaar en verdraait de nokkenring in de richting vroeg Hoekverdraaiingssensor Op de aandrijfas van de verdelerpomp is een sensorwiel gemonteerd. Deze tandkrans bestaat uit een groot aantal tanden. Voor een viercilinder motor zijn om de 90 0 een aantal tanden weggelaten. Verder is de tandkrans niet vast met de aandrijfas verbonden maar draait mee met de bewegingen van de inspuitmomentversteller. Uiteraard is het systeem ook uitgevoerd met een (inductie- 13

14 ve) krukaspositiesensor. Het pulswiel bevat per cilinder één tand zodat voor een viercilinder motor vier pulsen per krukasomwenteling worden opgewekt. Nu is het voor de computer mogelijk om de hoekpositie van de nokkenring vast te stellen, het toerental van de pomp te meten alsmede de positie van de inspuitmomentversteller. Een voorbeeld van de signaalverwerking geeft fig. 17. Het signaal van de hoekverdraaiingsensor (a) geeft een cilinder-referentiepunt (de ontbrekende tanden). Wanneer we een aantal tanden wachten dan bevinden de plunjers zich in de onderste stand van de nokkenring (c). De hogedruk magneetklep kan dan de brandstoftoevoer sluiten. Afhankelijk van de gewenste inspuiting kan na een aantal tanden de magneetklep weer worden geopend waardoor de levering van brandstof beëindigd is. Figuur 17: Regeling van het inspuitmoment en de inspuithoeveelheid 14

15 4 Vragen en opgaven Zie boek 15