Рис. 1. Тестовая таблица дизеля Bosch EPS 815.
Популяризированные компанией Bosch описания сложных процедур настройки позволили подготовить данную публикацию, объясняющую механизмы процесса управления форсунками с электрической стороны. Таким образом, было создано расширенное руководство по эксплуатации на польском языке для людей, уже имеющих соответствующее испытательное оборудование, а также для сотрудников мастерских, занимающихся вопросами, связанными с современными системами впрыска дизельного топлива. Эти знания могут быть полезны при формировании профилей управления в испытательном устройстве Bosch EPS 200A.Основной целью использования унифицированных профилей электрических сигналов управления форсунками CR является достижение повторяемости доз впрыскиваемого топлива. Профили используются как при проверке форсунок CR на профессиональных дизельных испытательных стендах, так и при нормальной эксплуатации систем впрыска Common Rail на автомобиле. Тестовые устройства Bosch позволяют самостоятельно изменять профили, редактируя их в специальном окне программы. Это особенно полезно при тестировании форсунок Delphi или Denso, для которых не подготовлена специальная база данных, как в случае с форсунками Bosch. В этом случае каждому каталожному номеру форсунки присваивается характеристика, которой присвоен соответствующий профиль управляющего сигнала. На рынке доступны устройства, например CRU2i от CARBON ZAPP, со встроенными базами данных номинальных измеряемых значений практически для всех типов CR-форсунок, как электромагнитных, так и пьезоэлектрических (рис. 2).
Рис. 2. Компьютерный тестер форсунок CR от CARBON ZAPP
В непрофессиональных испытательных устройствах при попытке использования компьютерных баз данных, содержащих данные измерений форсунок, могут возникать ошибки измерения дозы топлива. При испытаниях инжекторов из-за отсутствия определения профилей сигналов для их контроля возможен большой разброс доз и их неповторяемость. Это особенно относится к малым дозам топлива, и поэтому измерения становятся ненадежными.В транспортных средствах благодаря соответствующим образом профилированным формам управляющего тока сводится к минимуму влияние различных неблагоприятных факторов, которые могут повлиять на величину дозы, а также нежелательную задержку впрыска топлива.
1. Катушка CR форсунки в электрической цепи
1.1. Понятия и определения
Благодаря индуктивности катушки, которая является мерой способности сопротивляться изменению тока в электрической цепи, как на начальной фазе ее включения, так и на выключении, т. е. в так называемом нестационарном состоянии, форма волны тока имеет вид деформированный.
При включении катушки величина тока возрастает нелинейно до тех пор, пока не достигнет стабилизированного уровня, определяемого величиной напряжения питания U и сопротивлением катушки R. Согласно формуле (1.1) форма тока в катушке является экспоненциальным, и скорость его увеличения зависит от постоянного времени катушки τ, а также от члена U/R, который дополнительно определяет максимальный уровень тока (установившееся состояние). Полагая для простоты величину сопротивления R и индуктивности L постоянной, для более быстрого получения ожидаемого значения тока в катушке можно влиять лишь на изменение величины приложенного к ней управляющего напряжения U (рис. 5).
Формула тока в катушке:
Формула постоянной времени электрической цепи с индуктивностью:
где:
i – ток [А]
t – время [с]
U – напряжение [В]
τ – постоянная времени [с]
L – индуктивность [Гн]
R – сопротивление [Ом]
Рис. 3. Графическое определение постоянной времени катушки
Пояснения к графику:
1 – кривая тока катушки электромагнитного клапана форсунки CR
2 – уровень максимума ток, протекающий через катушку при установленных параметрах U/R (асимптота )
3 – касательная к кривой тока, определяющая скорость ее подъема
4 – уровень 63,2% от максимального значения тока, справедливый для условия: t = τ
5 – обозначено интервал времени, соответствующий постоянной времени τ, для конкретных параметров L и R.
На графике с отмеченной характеристикой опорными линиями представлен графический метод определения постоянной времени катушки τ (рис. 3).
Значение τ можно считать на пересечении оси t(s) с вертикальной линией 5, созданной в месте соединения кривой тока и уровня 63,2% от максимального значения тока, т.е. U/R. Приведенное выше соотношение получено из формулы (1.3).
Условие: t = τ
Считывание постоянной времени по касательной к форме сигнала тока, пересекающейся с асимптотой 2, кажется более сложным, но значение τ, полученное по графику, будет таким же.
Проблема, с которой пришлось столкнуться разработчикам системы CR, заключается в влиянии индуктивности катушки соленоида на время срабатывания якоря соленоида. Считая сопротивление катушки постоянным, согласно формуле (1.2), постоянная времени τ будет зависеть только от величины индуктивности. Чем больше индуктивность катушки, тем медленнее протекающий через нее ток достигает уровня насыщения (рис. 4).
В результате специфической электрической инерции, пропорциональной углу наклона тангенциальной кривой тока по отношению к оси времени, происходит задержка срабатывания электромагнитного клапана форсунки. Это явление можно объяснить, обратившись к закону электромагнитной индукции Фарадея и закону Ленца, также известному как правило извращения. Оно определяет направление индуцированного магнитного поля в явлении электромагнитной индукции.
Рис. 4. Влияние индуктивности катушки на скорость нарастания тока в катушке.
Выводы из соображений относительно постоянной времени τ цепи RL электромагнитного инжектора подвержены некоторой погрешности из-за изменчивости во времени индуктивности катушки. катушка электромагнитного клапана, вызванная движением якоря электромагнита. Однако это не меняет того факта, что принятые упрощения маловажны для более глубокого понимания физических явлений, происходящих в электрических цепях форсунок CR.1.2. Повышение напряжения - Бустерная фаза.
В результате конструктивного компромисса было принято решение, учитывающее реальные возможности изготовления электромагнита, заранее задающего сопротивление и индуктивность катушки форсунки. Взаимная регулировка параметров электрической цепи форсунок достигается за счет соответствующего формирования характеристик тока, управляющего работой электромагнитного клапана, значительно повышающего напряжение на первой фазе процесса управления. Это так называемая фаза Booster, которая предполагает использование напряжения в диапазоне 50 – 80 В, поступающего от индуктивных скачков, собранных на конденсаторе. Благодаря этому задержка включения электромагнита форсунки в значительной степени не зависит не только от неблагоприятного влияния индуктивности катушки, но прежде всего от влияния переменных условий электропитания в электроустановке, а также от вредного сопротивления электрических соединений, которые увеличиваются с возрастом автомобиля. Напряжение в бортовой сети автомобиля обычно остается на уровне примерно 14 В, поэтому для получения напряжения в несколько раз выше используется явление самоиндукции (закон Фарадея). Согласно этому закону в замкнутой электрической цепи, находящейся в переменном магнитном поле, можно ожидать создания электродвижущей силы индукции ε, равной скорости изменения потока индукции магнитного поля, проходящего через поверхность, охватывающую этот контур (1.4 ).
где:
ε – электродвижущая сила индукции
z – число витков катушки
dΦB/dt – скорость изменения магнитного потока
L – индуктивность катушки
di/dt – скорость изменения тока
Энергия, запасенная в катушках форсунок, получается в результате индуктивных перенапряжений, возникающих в электрической цепи в результате внезапного ограничения или отключения тока, протекающего через электромагнитный клапан, что является неотъемлемым элементом процесса управления (1.5). . Величина энергии Е, запасенной в катушке форсунки, прямо пропорциональна индуктивности катушки L и квадрату тока I, протекающего через нее.
Конденсаторы в контроллерах системы впрыска Common Rail заряжаются в результате многократного действия. электрические перенапряжения, запрограммированные в контроллере CR на цикл работы электромагнитной форсунки.
Рис. 5. Токовые характеристики управления электромагнитной катушкой
На графике показаны две примерные кривые тока, определенные при двух разных напряжениях питания, т.е. 1–50 В и 2–14 В, и постоянных электрических параметрах катушки форсунки, т.е. сопротивлении R = 1,0 Ом. и индуктивность L=100 мкГн (рис. 5). Горизонтальная линия, отмеченная цифрой 3, определяет уровень тока притяжения якоря электромагнита. При временном напряжении питания 50 В (так называемая Бустерная фаза) должный уровень тока притяжения якоря электромагнита форсунки появляется через 26 мкс, а при бортовом питании ок. текущее значение достигается только через 190 мкс. Из-за большого разброса напряжения в установке автомобиля – от пуска до нормальной работы двигателя, без соответствующих мер по регулированию кривой тока можно было бы ожидать разное время реакции форсунок на управляющий сигнал, что равносильно неприемлемому диапазону подачи топлива. дозы.1.3. Влияние высокого сопротивления электрической цепи на работу форсунки
Еще одним тревожным явлением в электрических цепях систем CR является их чрезмерное сопротивление. В результате увеличения сопротивления цепи питания (в описании предполагается сопротивление 5 Ом) ток, питающий катушку электромагнитного клапана форсунки, будет ограничен величиной, находящейся ниже уровня тока притяжения якоря электромагнита. (рис. 6). Несмотря на использование фазы Booster, она не может противодействовать таким ограничениям, что, как следствие, приводит к иммобилизации форсунки. Чрезмерно высокое значение сопротивления – это своего рода патология системы электропитания. Чаще всего мы имеем дело лишь с опасным, сверхнормативным увеличением сопротивления цепи питания форсунок, связанным с неаккуратным ремонтом электропроводки или просто возникшим в результате износа автомобиля.
Рис. 6. Влияние сопротивления электрической цепи на работу электромагнитного клапана форсунки
Обычно мы не осознаем влияние вредных сопротивлений, введенных в электрическую цепь форсунки, на снижение доз топлива. Исследования, проведенные в нашей лаборатории, показали, что уменьшение вдвое тока, управляющего работой форсунки, привело к пятикратному уменьшению пилотной (поствпрысковой) дозы топлива (рис. 7 и 8) [4].Допустимое сопротивление цепи питания форсунок CR не должно превышать R = 50 мОм.
В связи с разнообразием систем впрыска CR, а также широким ассортиментом форсунок от многих производителей, приведенные выше числовые значения предназначены только для образовательных целей (иллюстративных, ориентировочных) и не должны использоваться в качестве справочных значений. То же самое касается и токовых характеристик, которые были предназначены лишь для иллюстрации электрических процессов, происходящих при управлении электромагнитными форсунками систем Common Rail.
1.4. Другие аспекты неправильной работы системы впрыска CR
При анализе влияния момента впрыска на работу двигателя следует обратить внимание на еще один аспект неисправности системы CR, который касается задержки включения электромагнитного клапана форсунки. Неконтролируемая задержка и неправильная доза впрыска отрицательно влияют на тяговые параметры и работу двигателя, а также на повышенную токсичность выхлопных газов. Слишком малые или отсутствующие пилотные дозы особенно беспокоят водителей, поскольку возникающий в результате громкий шум двигателя особенно раздражает. Следствием неправильных доз впрыска может стать постоянное отсутствие процесса регенерации DPF-фильтра и, как следствие, его закупорка. Также возникают проблемы с поднимающимся уровнем моторного масла, что обычно свидетельствует о неоднократных, безуспешных попытках контроллера системы CR активно регенерировать сажевый фильтр.
Проблема неправильных доз топлива возникает и в результате непрофессионального ремонта форсунок, особенно в части регулировки хода шаров или определения расстояния пластины якоря от электромагнита (так называемый воздушный зазор). Увеличение хода якоря за счет изменения начального зазора увеличивает пусковой ток электромагнита форсунки, значительно удлиняя время ее пуска. Чаще всего именно в этом причина исчезновения этих очень малых доз, связанных с предвпрыском и довпрыском топлива. Использование профессионального оборудования и инструментов, а также заводских технологий, а также использование оригинальных запчастей дает возможность ремонта, после которого восстановленная форсунка практически не отличается от оригинала.
2. Формирование профилей управления
2.1. Описание формы управляющего сигнала
Ход управления электромагнитным инжектором CR можно разделить на четыре отдельные фазы работы (рис. 9) [2]:
1 – фаза бустера (повышение напряжения)
2 – фаза притяжения
3 – фаза поддержания
4 – фаза выключения
Рис. 9. Ток Курс управления электромагнитной форсункой CR
2.2. Описание фаз управления.Для понимания отдельных фаз процесса управления электромагнитными форсунками CR необходимо проанализировать происходящие там физические явления, а также корреляцию между формами тока и напряжения управляющего сигнала (рис. 10).
Рис. 10. Вольт-амперная форма управления электромагнитным инжектором CR
2.2.1. Фаза бустера – открытие.В фазе бустера, также называемой фазой открытия, определенное напряжение конденсатора Uc подается на электромагнитный клапан форсунки. Напряжение конденсатора Uc генерируется электронной системой управления в устройстве проверки форсунок или в контроллере системы Common Rail автомобиля и может во много раз превышать напряжение аккумуляторной батареи UBatt. Повышенное напряжение конденсатора Uc вызывает резкое увеличение тока в катушке электромагнитного клапана до достижения заданного тока IBoost. Благодаря малой толерантности Буст-фазы достигается высокая повторяемость значений инъекционной дозы.
2.2.2. Фаза притяжения.
После достижения заданного значения IBoost управляющая электроника питает электромагнитный клапан форсунки от напряжения аккумуляторной батареи UBatt. Путем тактирования (импульсного управления, так называемого прерывания) напряжения батареи UBatt в катушке электромагнитного клапана ток между IAmin и IAmax контролируется до тех пор, пока не будет достигнуто время tA, когда будет достигнуто время работы в этой фазе. Создаваемая сила магнитного поля поднимает якорь соленоида форсунки, заставляя клапан открываться, выпуская топливо из камеры управления, после чего игла форсунки поднимается и начинается впрыск.
2.2.3. Фаза удержания
В фазе ограничения тока определенное отрицательное напряжение выключения ULA снижает ток в катушке электромагнитного клапана до заданного уровня IHmin. Затем управляющая электроника, отслеживая напряжение батареи UBatt, ограничивает ток управления между IHmin и IHmax для достижения требуемого периода управления TAD. Период активации форсунки TAD определяется заново на каждом этапе измерения теста. За счет быстрого понижения (гашения) сигнала до уровня IH уменьшаются потери мощности в управляющей электронике и в форсунке. В фазе затухания импульсного сигнала энергия выделяется в виде напряжения самоиндукции и накапливается на конденсаторе, а затем используется в фазе Booster.
2.2.4. Фаза выключения
В фазе выключения в результате подачи определенного отрицательного напряжения ULH ток в катушке электромагнитного клапана уменьшается до нуля: i(t) = 0 А. Электромагнитный клапан форсунки выключается, игла распыляющей форсунки устанавливается в исходное положение. обратно на свое место. Процесс инъекции завершен. Фаза выключения является основным источником энергии, которая накапливается на конденсаторе в виде напряжения самоиндукции и затем используется в фазе Booster.
2.3. Пример ввода данных профиля для электромагнитных форсунок Delphi.
Время фазы притяжения tA.
Диапазон настройки: 100–500 мкс.
Ток притяжения IA.
Диапазон регулировки между допустимым током IAmin и верхним предельным значением IAmax, при котором он должен регулироваться, определяется заданным значением. для тока притяжения и пределов его допуска. Диапазон регулировки тока срабатывания: 2–21 А (с шагом 0,25 А) Диапазон допуска: 0,5–2,5 А (с шагом 0,25 А)
Напряжение аккумуляторной батареи UBatt
Напряжение питания для форсунок.
Диапазон регулировки: 14 – 28 В.
Напряжение на конденсаторе Uc.
Напряжение на конденсаторе влияет на скорость нарастания импульса тока.
Диапазон регулировки: 30–60 В
Изменение форсированного тока IBoost
Диапазон регулировки: 5–25 А (с шагом 0,25 А)
Минимальное время удержания tHmin
Диапазон регулировки: 30–100 мкс
Режим выключения 0:
Рис. 11. Выключение из удержания ток запуска
Рис. 12. Отключение при токе срабатывания. Режим
Отключение всегда происходит при токе удержания (IH).Этот режим применим к новым поколениям форсунок.
Режим 1:
Если период управления (tAD) превышает время срабатывания (tA) и минимальное время выдержки (tHmin), отключение выполняется при уровне тока удержания (IH) (рис. 11),
или:
Если период управления (tAD) короче времени срабатывания (tA) и минимального времени выдержки (tHmin), отключение осуществляется по току срабатывания (IA) (рис. 12).
Режим действителен для форсунок старшего поколения.
Ток удержания IH
Диапазон регулирования между допустимым нижним пределом тока IHmin и верхним предельным значением IHmax, в котором он должен регулироваться, определяется заданным значением тока удержания и диапазоном его допуска. Диапазон регулировки тока удержания: 2–17 А (с шагом 0,25 А) Диапазон допуска: 0,5–2,5 А (с шагом 0,25 А)
Напряжение выключения в фазе срабатывания ULA
При выборе типа фазы выключения, два возможные варианты снижения тока привлечения.
Выбор типа фазы отключения:
Стандарт:
Быстрое отключение достигается за счет отрицательного напряжения.
Расчет отрицательного напряжения: - (UC - UBatt + 2В).
Медленное выключение:
Медленное выключение достигается за счет фиксированного отрицательного напряжения -1 В.
Напряжение выключения в фазе удержания ULH.
При выборе типа фазы выключения возможны два варианта уменьшения тока удержания.
Выбор типа фазы отключения:
Стандарт:
Быстрое отключение достигается отрицательным напряжением.
Расчет отрицательного напряжения: - (UC - UBatt + 2В).
Быстрое отключение:
Очень быстрое отключение достигается за счет отрицательного напряжения.
Расчет отрицательного напряжения: - (UC + 2В).
Расшифровка сокращений:
IA - ток притяжения в амперах
IAmin - минимальное значение тока притяжения
IAmax - максимальное значение тока притяжения
tA - время притяжения в микросекундах
TAD - время срабатывания в микросекундах
UBatt - напряжение аккумулятора в вольтах
UC - напряжение конденсатора в вольтах
IBoost - ток переключения в амперах
tH - время удержания в микросекундах
IH - ток удержания в амперах
IHmin - минимальный ток удержания
IHmax - максимальный ток удержания
ULA - отрицательное напряжение, уменьшающее ток в фазе притяжения
ULH - отрицательное напряжение, уменьшающее ток в фазе удержания
4. Регистрация осциллограмм
Отдельные фазы инжектора регулирования тока были визуализированы на электрической схеме контроллера путем рисования цветных линий, символизирующих протекание тока в соответствующих электрических цепях (рис. 13).
Рис. 13. Примерный фрагмент электрической схемы контроллера системы CR в упрощенном варианте
а – Бустерная фаза, б – медленное отключение тока, в – фаза притягивания или удержания, г – быстрое отключение токаДля регистрации осциллограмм напряжения-тока . , можно использовать двухканальный цифровой осциллограф, например FSA 7XX или FSA 500 от Bosch.
Схема подключения клемм напряжения и токового щупа (токовых клещей) представлена на (рис. 14). Если используется дополнительный заземляющий кабель диагностического прибора FSAXXX (массовый кабель с большим черным зажимом «крокодил»), необходимо использовать функцию измерения формы сигнала напряжения без потенциала, чтобы избежать выхода из строя измерительного оборудования. Это предотвратит короткое замыкание одного из полюсов катушки форсунки с массой автомобиля, которая обычно изолирована от нее. Для обеспечения достаточного разрешения измерения формы сигнала тока предлагается использовать токовые клещи с диапазоном тока 30 А.
Рис. 14. Схема подключения щупа осциллографа
Рис. 15. Пример формы тока форсунки Delphi после редактирования профиля управления.