JOK2009 NO 3 - Journal of KONES

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 16, No. 3 2009
THE EFFECT OF SOME PARAMETERS OF INJECTOR CONTROL
SIGNAL ON FUEL INJECTION PROCESS
IN THE COMMON RAIL SYSTEM
Krzysztof Balawender, Hubert Kuszewski, Adam Ustrzycki
Rzeszow University of Technology
Department of Dept of Automotive Vehicles
and Internal Combustion Engines
PowstaĔców Warszawy Av. 8, 35-959 Rzeszów, Poland
tel.: +48 17 8651524, fax: +48 17 8543112
e-mail: [email protected]
[email protected]
[email protected]
Abstract
In recent years the compression ignition engines with direct injection equipped with common rail system are
subject to intensive development. Mainly, the reason for it the ecological considerations are. Generally the
engines of this type are characterized by relatively low specific fuel consumption, lower noisy and lower
emission of toxicity components in relation to DI engines with conventional injection system. Especially the main
advantage of common rail system is possibility of easy controlling the injection parameters. Therefore a very
important is parameters of control signals of injection system, including injectors, because they have the
influence on fuel amount. In the article the effect of CR injector control signal on injection process was
presented. The measurements were taken at constant frequency running of injector and set values of rail
pressure. The temperature of injected fuel was controlled also. The researches were conducted with test stand
equipped with test bench with electronic measuring of fuel amount. In the centre of attention was peak currentduration at set values of injector opening signal. The tests were conducted at single injection and for two types
of injector.
Keywords: common rail, fuel injection, injection control
WPàYW WYBRANYCH PARAMETRÓW SYGNAàU STERUJĄCEGO
WTRYSKIWACZEM NA PROCES WTRYSKU PALIWA
W UKàADZIE ZASILANIA TYPU COMMON RAIL
Streszczenie
Intensywny rozwój silników wysokoprĊĪnych z bezpoĞrednim wtryskiem paliwa, wyposaĪonych w akumulacyjne
ukáady zasilania typu Common Rail, jest podyktowany gáównie wzglĊdami ekologicznymi. Ogólnie, silniki tego typu
charakteryzują siĊ stosunkowo niskim jednostkowym zuĪyciem paliwa, mniejszą haáaĞliwoĞcią i mniejszą emisją
toksycznych skáadników spalin w stosunku do silników typu DI z konwencjonalnym ukáadem wtryskowym.
Szczególnie waĪną zaletą zasobnikowych ukáadów wtryskowych jest moĪliwoĞü áatwego sterowania parametrami
wtrysku. Bardzo istotne są przy tym parametry sygnaáów sterujących elementami ukáadu wtryskowego, w tym
wtryskiwaczy, gdyĪ oddziaáują one bezpoĞrednio na wielkoĞü dawki paliwa. W artykule przedstawiono wpáyw
wybranych parametrów sygnaáu sterującego wtryskiwacza typu CR na proces wtrysku paliwa. Pomiary
realizowano dla staáych wartoĞci czĊstotliwoĞci pracy wtryskiwacza oraz zadanych wartoĞci ciĞnienia w szynie
zasilającej wtryskiwacz. Kontroli podlegaáa takĪe temperatura wtrysku paliwa. W badaniach, które prowadzono na
stole probierczym wyposaĪonym w system elektronicznego pomiaru dawki paliwa, szczególną uwagĊ zwrócono na
czas fazy zaáączania wtryskiwacza, przy ustalonych dáugoĞciach sygnaáu otwarcia wtryskiwacza, w warunkach
wtrysku jednofazowego dla dwóch róĪnych typów wtryskiwacza.
Sáowa kluczowe: common rail, wtrysk paliwa, sterowanie wtryskiem
K. Balawender, H. Kuszewski, A. Ustrzycki
1. Wprowadzenie
Elektronicznie sterowane zasobnikowe systemy zasilania typu Common Rail charakteryzują
siĊ duĪymi moĪliwoĞciami w zakresie ksztaátowania charakterystyki wtrysku. Z tego wzglĊdu są
obecnie szeroko stosowanymi ukáadami wtryskowego zasilania w silnikach wysokoprĊĪnych [9].
Od ukáadu wtryskowego oczekiwana jest duĪa precyzja dozowania wtryskiwanego do cylindra
paliwa, dokáadnoĞü w sterowaniu początkiem wtrysku, powtarzalnoĞü oraz niezawodnoĞü
i trwaáoĞü, jak równieĪ utrzymanie tych parametrów przez moĪliwie dáugi okres eksploatacji. Jest
to szczególnie istotne, poniewaĪ w nowych przepisach przewiduje siĊ zwiĊkszenie tzw. okresu
Īycia pojazdów z 80 tys. do 160 tys km przebiegu, w którym to okresie pojazdy muszą speániaü
ustalone, wysokie wymagania w zakresie emisji [7]. Jak wykazuje praktyka, jednym z najbardziej
zawodnych elementów systemu zasobnikowego jest wtryskiwacz, a w szczególnoĞci cewka
wtryskiwacza. Wynika to z faktu, Īe pracuje ona w stosunkowo trudnych warunkach, na które
skáadają siĊ wysoka temperatura, bĊdąca wynikiem, zarówno pracy silnika jak i samego ukáadu
wtryskowego (wysokie temperatury przetáaczanego pod znacznym ciĞnieniem paliwa oraz
nagrzewania siĊ cewki wtryskiwacza od páynącego w niej prądu). Dodatkowym czynnikiem są tu
takĪe drgania, które równieĪ mogą wpáywaü na trwaáoĞü cewki elektrozaworu wtryskiwacza. Stąd
teĪ istotnym zagadnieniem jest ograniczenie zakresu temperatur i obciąĪenia cewki poprzez
ograniczenie wartoĞci páynącego prądu, bez pogorszenia parametrów wtryskiwacza. Osiąga siĊ to
poprzez czĊĞciową modulacjĊ sygnaáu sterującego wtryskiwaczem. JednakĪe wprowadzone w ten
sposób zmiany (zmniejszenie) strumienia magnetycznego mogą wpáywaü na przebieg siáy
magnetycznej podnoszącej zawór sterujący, a zatem na pracĊ caáego wtryskiwacza, szczególnie
przy zmianach napiĊcia zasilającego, które dodatkowo modyfikuje pracĊ elektrozaworu.
W niniejszym artykule zaprezentowano badania wpáywu parametrów sygnaáu sterującego na
proces dawkowania paliwa. W szczególnoĞci skupiono siĊ na wpáywie dáugoĞci trwania impulsu
zaáączającego na wielkoĞü dawki paliwa w odniesieniu do caákowitej dáugoĞci trwania wtrysku.
2. Metodyka badaĔ i stanowisko badawcze
Celem badaĔ doĞwiadczalnych byáo okreĞlenie wpáywu dáugoĞci impulsu zaáączającego
wtryskiwacz tz na wielkoĞü dawki paliwa w odniesieniu do caákowitego czasu wtrysku twtr
(Rys. 1). W celu okreĞlenia wpáywu napiĊcia zasilania na proces dawkowania paliwa zbudowano
stanowisko badawcze, którego podstawowymi urządzeniami byáy stóá probierczy Bosch EPS-815
wraz z zespoáem pomiaru dawki paliwa Bosch KMA-822 z wymiennikiem ciepáa, oraz moduáem
do badania elementów ukáadu Common Rail CRS-845. Paliwo wtryskiwane byáo do specjalnej
komory wypeánionej paliwem. Opis stanowiska przedstawiono w pracach [1-3, 6].
Ze wzglĊdu na stwierdzony wpáyw temperatury wtryskiwanego paliwa na proces dawkowania
[8] badania przeprowadzano przy ustalonej temperaturze, która byáa mierzona przy wypáywie
z komory pomiarowej i wynosiáa 75°C. Temperatura paliwa w zbiorniku byáa stabilizowana
i wynosiáa 40 ±1ºC. W badaniach wykorzystano wtryskiwacz z silnika Fiat Multijet 1.3
(o oznaczeniu fabrycznym 445 110 083) oraz silnika Renault G9T (o oznaczeniu fabrycznym
445 110 641). Wtryskiwacze wspóápracowaáy z pompą wysokociĞnieniową CR/CP1K3/R55/10-S.
Sterowanie wtryskiwaczem realizowane byáo przez opracowany w Zakáadzie Pojazdów
Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Rzeszowskiej sterownik, którego opis
przedstawiono w pracy [5].
Badania prowadzono przy realizacji wtrysku jednofazowego, celem unikniĊcia zmian w procesie
dawkowania wynikających z wahaĔ ciĞnienia powstających przy wtrysku wielofazowym [4]. Ukáad
sterowania wtryskiwaczem zasilany byá z akumulatora wspóápracującego z zasilaczem, co
umoĪliwiaáo precyzyjne utrzymanie zaáoĪonego napiĊcia zasilania, które wynosiáo 13 ±0,02 V.
Badania prowadzono dla dwóch róĪnych czasów wtrysku twtr = 900 Ps i twtr = 3000 Ps, przy
czym czas zaáączania tz zmieniany byá w zakresie od 250 do 900 Ps. Sygnaá modulowany
10
The Effect of Some Parameters of Injector Control Signal on Fuel Injection Process in the Common Rail System
Prąd zaworu
elektromagnetycznego Iw
charakteryzowaá siĊ 50% stopniem wypeánienia, przy czym stopieĔ ten byá zakáadany
programowo. Rzeczywiste wartoĞci wypeánienia mogą siĊ róĪniü od wartoĞci zadanych ze
wzglĊdu na istnienie zarówno indukcyjnoĞci, jak i pojemnoĞci w ukáadzie. WartoĞci czasów tw i tn
wynosiáy 15 Ps co oznacza, Īe czĊstotliwoĞü modulacji wynosiáa 33,3 kHz. Badania realizowano
dla róĪnych ciĞnieĔ w ukáadzie wynoszących 75, 100 i 125 MPa oraz prĊdkoĞci obrotowej
wynoszącej 1000 obr/min.
b
c
d
e
Czas t
NapiĊcie sygnaáu
sterującego Uw
a
tz
tw tn
twtr
Rys. 1. Przebieg sygnaáu sterującego wtryskiwaczem [9]: a – faza prądu otwierania, b – faza prądu przyciągania,
c – przejĞcie do fazy prądu podtrzymania, d – faza prądu podtrzymania, e – wyáączenie, twtr – czas trwania
sygnaáu sterującego otwarciem wtryskiwacza, tz – czas trwania sygnaáu zaáączania, tw – czas trwania sygnaáu
wysokiego poziomu, tn – czas trwania sygnaáu niskiego poziomu
Fig. 1. The course of injector control signal [9]: a – opening current, b – attractive current, c – transition to holding
current, d – holding current, e – switching off, twtr – duration of injector control signal, tz – peak currentduration, tw – duration of high level signal, tn – duration of low level signal
3. Analiza wyników badaĔ
Na Rys. 2 przedstawiono wyniki badaĔ wpáywu czasu wtrysku na wielkoĞü dawki paliwa dla
wtryskiwacza Fiat Multijet. Sygnaá nie byá modulowany, czyli czas wtrysku byá równy czasowi
zaáączania. Jak widaü minimalny czas wtrysku, przy którym wtryskiwacz zaczyna pracowaü
wynosi powyĪej 250 Ps, przy czym wielkoĞü dawki jest oczywiĞcie tym wiĊksza im wyĪsze jest
ciĞnienie w szynie prail. Poza początkową fazą, zaleĪnoĞü pomiĊdzy czasem wtrysku a dawką jest
zbliĪona do liniowej.
Na Rys. 3 przedstawiono zmiany dawkowania paliwa dla dwóch badanych wtryskiwaczy Fiat
Multijet i Renault przy caákowitym czasie wtrysku wynoszącym 900 Ps oraz zmieniającym siĊ
czasie zaáączania tz.
11
K. Balawender, H. Kuszewski, A. Ustrzycki
70
twtr = tz, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC
Q wtr [mm3/wtrysk]
60
prail=75 MPa
prail=100 MPa
50
prail=125 MPa
40
30
20
10
0
100
200
300
400
500 600
tz [Ps]
700
800
900
1000
Rys. 2. Wpáyw czasu zaáączania wtryskiwacza tz na wielkoĞü dawki paliwa Qwtr, dla róĪnych ciĞnieĔ paliwa w szynie
prail (wtryskiwacz Multijet, twtr = tz, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC)
Fig. 2. The effect of peak current-duration tz on fuel amount Qwtr at different rail pressures prail (injector Multijet,
twtr = tz, n = 1000 rpm, Twtr = 75 qC)
Wszystkie krzywe charakteryzują siĊ specyficznym przegiĊciem, które wystĊpuje przy czasie
zaáączania tz wynoszącym 400-450 Ps. Od tego momentu zaleĪnoĞü staje siĊ prawie liniowa
i wpáyw impulsu zaáączającego staje siĊ mniej widoczny (mniejsze nachylenie charakterystyki).
WartoĞü 450 Ps moĪna uznaü za wystarczającą do prawidáowej pracy wtryskiwacza. Przy czym,
jak widaü charakterystyki obu wtryskiwaczy znacząco róĪnią siĊ od siebie przy niĪszych
ciĞnieniach w szynie.
50
50
twtr = 900 Ps, prail = 75 MPa, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC
wtryskiwacz Multijet
40
wtryskiwacz Renault
Q wtr [mm3/wtrysk]
Q wtr [mm3/wtrysk]
40
30
20
10
30
20
twtr = 900 Ps, prail = 100 MPa, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC
10
wtryskiwacz Multijet
wtryskiwacz Renault
0
0
200
300
400
500
600
700
tz [Ps]
70
800
900
1000
200
300
400
500
600
tz [Ps]
700
800
900
1000
Q wtr [mm3/wtrysk]
60
50
40
30
20
twtr = 900 Ps, prail = 125 MPa, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC
10
wtryskiwacz Multijet
wtryskiwacz Renault
0
200
300
400
500
600
tz [Ps]
700
800
900
1000
Rys. 3. Porównanie wpáywu czasu zaáączania tz wtryskiwacza na wielkoĞü dawki paliwa Qwtr dla dwóch typów
wtryskiwaczy, przy róĪnych ciĞnieniach paliwa w szynie prail (twtr = 900 Ps, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC)
Fig. 3. The comparison the effect of peak current-duration tz on fuel amount Qwtr for two injector types, at different
rail pressures prail (twtr = 900 Ps, n = 1000 rpm, Twtr = 75 qC)
12
The Effect of Some Parameters of Injector Control Signal on Fuel Injection Process in the Common Rail System
Dla wtryskiwacza Renault, przy ciĞnieniu 75 MPa krzywa zmienia swoje nachylenie dopiero przy
500-550 Ps. RóĪnice w dawkowaniu obu wtryskiwaczy zanikają przy wyĪszym ciĞnieniu
wynoszącym 125 MPa, co Ğwiadczy o tym, Īe przy wyĪszych ciĞnieniach róĪnice w sposobie
podnoszenia siĊ zaworu sterującego w mniejszym stopniu wpáywają na dawkowanie.
50
70
60
Q wtr [mm3/wtrysk]
Q wtr [mm3/wtrysk]
40
30
20
twtr = 3000 Ps, prail = 75 MPa, n = 1000 obr/min,
Twtr = 75 qC
10
50
40
30
20
twtr = 3000 Ps, prail = 100 MPa, n = 1000 obr/min,
Twtr = 75 qC
10
wtryskiwacz Multijet
wtryskiwacz Multijet
wtryskiwacz Renault
wtryskiwacz Renault
0
0
200
300
400
500
600
tz [Ps]
700
800
900
1000
200
300
400
500
600
tz [Ps]
700
800
900
1000
80
Q wtr [mm3/wtrysk]
70
60
50
40
30
20
twtr = 3000 Ps, prail = 125 MPa, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC
wtryskiwacz Multijet
10
wtryskiwacz Renault
0
200
300
400
500
600
tz [Ps]
700
800
900
1000
Rys. 4. Porównanie wpáywu czasu zaáączania tz wtryskiwacza na wielkoĞü dawki paliwa Qwtr dla dwóch typów
wtryskiwaczy, przy róĪnych ciĞnieniach paliwa w szynie prail (twtr = 3000 Ps, n = 1000 obr/min, Twtr = 75 qC)
Fig. 4. The comparison the effect of peak current-duration tz on fuel amount Qwtr for two injector types, at different
rail pressures prail (twtr = 3000 Ps, n = 1000 rpm, Twtr = 75 qC)
]
Na Rys. 4 przedstawiono w podobnym ukáadzie wyniki badaĔ dla caákowitego czasu wtrysku
twtr = 3000 Ps. Charakterystyczne przegiĊcie charakterystyki wystĊpuje tu takĪe dla czasu
zaáączania tz = 400-450 Ps, przy czym krótsze czasy wystĊpują dla wtryskiwacza Fiat Multijet.
Odmiennie, jak dla krótszego caákowitego czasu wtrysku, wraz ze wzrostem czasu zaáączania przy
wyĪszych ciĞnieniach wystĊpują wiĊksze róĪnice w dawkowaniu, co moĪe wynikaü z róĪnic
w iloĞci i rozmiarach otworków rozpylacza. Dáugi czas wtrysku i wyĪsze ciĞnienia powodują, Īe
róĪnice w tych parametrach stają siĊ decydujące.
4. Wnioski
Przeprowadzone badania wykazaáy, Īe sygnaá sterujący wtryskiwaczem powinien mieü
okreĞlone parametry. Czas zaáączania wtryskiwacza powinien byü wystarczająco dáugi w celu
zapewnienia liniowej charakterystyki wydatku wtryskiwacza. Dla obu badanych wtryskiwaczy,
czas zaáączania powinien wynosiü w granicach 450-500 Ps. Zbyt dáugi czas zaáączania powoduje
haáaĞliwą pracĊ wtryskiwacza i moĪe prowadziü do przegrzewania siĊ cewki. Zbyt krótki czas
wtryskiwacza (poniĪej 200 Ps dla obu badanych wtryskiwaczy) moĪe natomiast powodowaü
zakáócenia podczas otwarcia wtryskiwacza. Minimalny czas, przy którym wtryskiwacz siĊ otwiera
zaleĪy nie tylko od parametrów wtryskiwacza, lecz takĪe od ciĞnienia panującego w ukáadzie. Im
13
K. Balawender, H. Kuszewski, A. Ustrzycki
wyĪsze ciĞnienie, tym krótszy moĪe byü czas zaáączania wtryskiwacza.
Wyniki zebrane w czasie badaĔ mogą byü wykorzystane podczas opracowywania
prototypowych sterowników wtryskiwaczy, które nastĊpnie moĪna bĊdzie wykorzystaü podczas
badaĔ hamownianych silników z zasobnikowym ukáadem wtryskowym. ZnajomoĞü oddziaáywania
parametrów sygnaáu sterującego na wielkoĞü dawki paliwa pozwoli na taki dobór parametrów
sterownika, które zapewnią optymalny przebieg dawkowania paliwa. Ma to szczególne znaczenie
w sytuacji, gdy prototypowy sterownik wtrysku na wspóápracowaü z róĪnymi typami
wtryskiwaczy.
Przeprowadzone badania dotyczące wpáywu parametrów sygnaáu sterującego bĊdą
kontynuowane takĪe w odniesieniu do drugiej, modulowanej czĊĞci sygnaáu sterującego (sygnaáu
PWM). Badania w tym zakresie bĊdą dotyczyü wpáywu zarówno wypeánienia sygnaáu PWM, jak
równieĪ jego czĊstotliwoĞci na proces dawkowania paliwa w zasobnikowym ukáadzie
wtryskowym.
Literatura
[1] Balawender, K., Kuszewski, H., Lejda, K., Ustrzycki, A., Test of fuel dose variation of
common rail injectors for 4-cylinder diesel engine, Combustion Engines, No. SC2/2009.
[2] Balawender, K., Kuszewski, H., Lejda, K., Ustrzycki, A., The effect of angle position of main,
pilot and preinjection fuel dose on NOX formation in compression ignition engine with
common rail system, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No. 3/2008.
[3] Balawender, K., Kuszewski, H., Lejda, K., Ustrzycki, A., The influence of mutual angle
position of main, pilot and preinjection dose on fuel dosing in Common Rail system, Journal
of POLISH CIMAC, No. 3, 2008.
[4] Balawender, K., Kuszewski, H., Lejda, K., Ustrzycki, A., The effect of multi-phasing injection
on selected parameters of common rail fuel system, Combustion Engines, No. 4/2008.
[5] Balawender, K., Kuszewski, H., Ustrzycki, A., Stanowisko do badaĔ wpáywu sygnaáu
sterującego na pracĊ elektromagnetycznych wtryskiwaczy ukáadów Common Rail, ɇɚɭɤɨɜɨɬɟɯɧɿɱɧɢɣ ɡɛɢɪɧɢɤ No 18 `2009, Wisnik Nacjonalnogo Transportnogo Universiteta, pp. 4349, Kijv 2008
[6] Kuszewski, H., Lejda, K., Ustrzycki, A., Determinanty dokáadnoĞci dawkowania paliwa
w systemie zasobnikowego ukáadu zasilania Common Rail, Czasopismo Techniczne Mechanika, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Z. 8-M, Z. 12 (105), s. 161-172,
Kraków 2008.
[7] Merkisz, J., Radzimirski, S., Trends in european legislation on LDV pollutant emissions,
Combustion Engines, No. 3, 2008.
[8] Ustrzycki, A., Kuszewski, H., Wpáyw temperatury wtryskiwanego paliwa na wielkoĞü dawki
w zasobnikowym ukáadzie wtryskowym typu Common Rail, Mat. XVIII MiĊdzynarodowej
Konferencji Naukowej SAKON’07 nt. Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdów
samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych, Zarządzanie i marketing w motoryzacji,
Rzeszów 2007.
[9] Zasobnikowe ukáady wtryskowe Common Rail, Informatory techniczne Bosch, WKià,
Warszawa 2005.
14