Реализација уређаја за тестирање Common Rail Injector-a

Драган Ранковић Факултет техничких наука, Чачак

Електротехничко и рачунарско инжењерство, индустријска електроенергетика, академса 2020/2021. гoдина autoelektronika.rane@gmail.com

Ментор рада: Др Аленка Миловановић, редовни професор

Апстракт— Циљ овог рада је да представи принцип реализације уређаја за тестирање Common Rail Injector-a (CR ињектора). Тестер је базиран на управљању помоћу Microchip микроконтролера серије PIC16F. Разматрано је тестирање два типа ињектора- електромагнетског и пиезо ињектора, при чему се могу истовремено тестирати четири ињектора у тзв. секвент режиму. Управљање је остварено помоћу четири MOSFET транзистора IRF30710, за магнетске, и IRF640, за пиезо ињекторе. Такође, применом оптокаплера, извршено је и галванско одвајање излаза микроконтролера од улазних пинова транзистора. Галванско одвајање напајања ињектора од напајања уређаја изведено је применом DC/DC конвертора. У оквиру рада је дат детаљан опис принципа рада уређаја, начин реализације електронске јединице за контролу и управљање тестером, као и програмски код за микроконтролере употребљене за реализацију овог уређаја.

Кључне речи – CRI тестер, Микроконтрола, Електромагнетски CR ињектор, Пиезо CR ињектор.

1 УВОД

Системи убризгавања и паљења горива код моторних возила су управљани и контролисани електроником. Најпознатије светске фирме које су развиле ове системе су: GENERAL MOTORS, BOSCH, DELPHI, DENSO и SIEMENS [1]. Први уређај за тестирање CR нњектора контролисан микропроцесором произвела је фирма BOSCH.

Испитивање исправности ињектора врши се оног тренутка када се посумња у њихову неисправност. Како се дијагностика неисправности не може одмах обавити, потребно је ињекторе одвојити од мотора возила и испитати их. Прво се ињектори прикључе на испитни сто одговарајућим адаптерима, а затим се у електронској јединици задају параметри према фабричкој тест листи за дате ињекторе и започне испитивање. Након завршеног теста очитају се убризгане количине и количине прелива тест уља. Добијени подаци о убризганим количинама и преливима се пореде са подацима фабричке тест листе за дате ињекторе и доноси се закључак о њиховој исправности.

Будући да су уређаји за тестирање ињектора водећих светских произвођача веома скупи, аутор овог рада дошао је на идеју да направи уређај намењен испитивању Common Rail Injector-a, а који има знатно нижу цену.

У овом раду биће приказан процес реализације уређаја који има улогу да тестира CR ињекторе – електромагнетске и пиезо, произвођача Bosch, Delphi, Denso и Siemens. Биће дате основне теоријске поставке електронских система моторних возила, опис уређаја као и и његова реализација.

2 ПРИНЦИП РАДА COMMON RAIL СИСТЕМА

Common Rail (CR) систем је систем за убризгавање дизел горива из разводне шине под високим притиском директно у цилиндре мотора [1]. Развијен је ради што боље аутоматизације горива и хомогеније смеше. Исти систем се налази код разних произвођача под другим називима (HDI, CRDI, DCI итд.). Гориво се преко доставне пумпе доводи до пумпе високог притиска. Под високим притиском се разводи на једну или две шине у којима се налази сензор високог притиска. Из шине се бризгаљке напајају горивом, а, преко повратног вода, вишак се враћа у резервоар. Притисци у шини зависе од генерације CR система и то систем од 1500 bar, 1800 bar и најновији од 2500 bar кога је развила фирма BOSCH [2].

CR систем се састоји од: резервоара горива, пумпе високог притиска;, ECU рачунара, регулатора притиска горива, разводне шине или Rail-а, сензора високог притиска (сензор притиска Rail - a), ињектора, сензора температуре горива, сензора температуре расхладне течности мотора, сензора положаја папучице гаса, MAP сензора, сензора протока ваздуха (протокомер), сензора радилице (индукциони сензор), сензора брегасте осовине (Холов сензор), ламбда сонде или електрохемијског сензора концентрације кисеоника.

Шема Common Rail система дата је на Слици 1, а на Слици 2 дат је изглед практичне изведбе Common Rail система.

Слика 1. Изглед шеме Common Rail система.

Слика 2. Практична изведба Common Rail система.

2.1 Пумпа високог притиска Пумпа виског притиска је механичка пумпа која се механички спреже са брегастом осовином мотора и окреће

се синхроно као и мотор у одређеном преносном односу. На пумпи се налази електрохидраулични вентил (регулатор притиска) којим командује ECU у циљу регулације притиска горива. У зависности од режима рада мотора, ECU даје команду регулатору притиска PWM сигналом у циљу подешавања жељеног притиска.

На Слици 3 приказан је изглед пумпе високог притиска.

Слика 3. Изглед пумпе високог притиска.

2.2 Регулатор притиска горива Регулатор притиска горива је електромагнетни вентил чија је улога да померањем своје котве врши

регулацију притиска пумпе. ECU шаље правоугаоне PWM сигнале кроз електровентил, а вентил помера котву и на тај начин регулише притисак који мора бити одговарајући. Контролу притиска врши сензор притиска који се налази на Rail–у. На Слици 4 приказан је изглед регулатора притиска горива различитих произвођача.

а) б)

Слика 4. Изглед регулатора притиска горива произвођача: (а) BOSCH и (б) DELPHI.

2.3 Сензор притиска Rail-а Сензор притиска Rail – a је сензор за мерење притиска у CR системима, а направљен је од пиезо –

резистивног сензорског елемента. Због заптивања и високог притиска, сензорски елементи се налазе у менталној дијафрагми изложеној притиску флуида. У саставу сензора је хибридно-електронско коло које образује електронски сигнал, а потом га, као напонску промену, шаље ECU–у. На Слици 5 приказан је изглед сензора притиска произвођача BOSH и DELPHI, респективно.

а) б)

Слика 5. Изглед регулатора притиска горива произвођача: (а) BOSCH и (б) DELPHI.

Дијаграми зависности напона од притиска за сензоре произвођача BOSCH и DELPHI приказани су на Сликама 6а и б.

а) б)

Слика 6. Дијаграм зависности напона од притиска за сензор произвођача (a) BOSCH и (б) DELPHI.

У Сензор притиска 1500 bar има линеарну промену напона у функцији притиска уз коефицијент правца 2,667mV/bar (Слика 6а). Илустрације ради, уколико је притисак у Rail–у 250 bar [3] тада је:

1500 500 mV 2,2667 250 1066,675 mVsU .

2.4 Ињектори У употреби су две врсте ињектора и то електромагнетске (Слика 7) са једном или две арматуре и

пиезоелектрични ињектори (Слика 8).

1 Повратни горивни вод;

2 Електрични прикључак;

3 Завојница електромагнетног вентила

4 Напојни горивни вод;

5 Заптивна куглица;

6 Ограничење излаза;

7 Ограничење уноса горива;

8 Контролна комора вентила;

9 Клип за управљање вентилом;

10 Канал за напајање у предкомору млазнице и

11 Игла за убризгавање

Слика 7. Изглед електромагнетског ињектора.

Појачавачки модул

Вентил Контролна комора Распршивач Игла ињектораКонтролна комора

Повратни вод

Пиезо актуатор

Електрични конектор

Улаз горива

Слика 8. Изглед пиезоелектричног ињектора.

3 РЕАЛИЗАЦИЈА УРЕЂАЈА

Изглед реализованог уређаја је приказан на Слици 9а, а на Слици 9б је приказан изглед електронске јединице уређаја.

Механички део је урађен на једноставан начин. Аутор је направио цртеж са мерама и у машинској радионици израдио све делове које је касније склопио у целину. У доњем делу уређаја налази се резервоар у којем је смештено тест уље – течност помоћу које се врши тестирање ињектора. У резервоару се налази допремна електрична пумпа (мотор једносмерне струје са независном побудом) која се напаја са 12 V једносмерне струје и чија је улога допрема тест уља до пумпе високог притиска. Затим у резервоару се налази и грејач за грејање уља и измењивач топлоте чија је улога хлађење уља водом. Потребна температура уља треба да буде 40 1 C . То је

остварено индустријским терморегуатором који ради на принципу живе и има одступање 1 C , али се може користити и неки прецизнији терморегулатор.

У средњем делу испитног стола налази се CR пумпа високог притиска коју покреће трофазни асинхрони мотор снаге 1,1 kW. Мотор је штићен контактором и биметалном заштитом. Затим, на истом средњем делу смештена је шина, тј. Rail, на коме се налазе цеви за прикључење ињектора и сензор притиска за притиске од 0 до 1500bar. Rail сензори притиска у цеви су произвођача BOSCH, тако да су атестирани на високи притисак и безбедни за руковаоца.

а) б)

Слика 9. Изглед реализованог (а) уређаја за тестирање ињектора и (б) електронске јединице.

Електронска јединица (Слика 9б) за регулацију и контролу CR пумпе и потребних импулса за ињекторе изведена је помоћу Microchip-ових PIC контролера. Регулација притиска изведена је помоћу контролера PIC 16F876A [4], а задавање импулса PIC 16F877A [5]. Електромагнетски ињектори раде на 12 V DC и 80 V DC, што зависи од произвођача ињектора, а пиезо ињектори на 150 V DC. Напајање електронске јединице врши се помоћу AC/DC конвертора 220/12 V/V, док је напајање ињектора реализовано помоћу DC/DC конвертора 12/80 V/V и 12/150 V/V. Решење DC/DC конвертора је преузето од произвођача, са том разликом што је трансформатор премотан за напона од 80 и 150 V. Прорачун броја намотаја изведен је на основу фреквенције чоповања DC/DC конвертора, која износи 100 kHz.

Регулација притиска изведена је са PIC 16F876A. Основу шеме чини поменути микроконтролер затим LCD дисплеј 4х20 карактера, транзистор IRFZ44N [6] који ради у прекидачком режиму, четири улазна тастера који служе за прoлазак кроз мени и одабир функције коју уређај треба да обавља. На Слици 10 је приказана шема дела уређаја за регулацију рада CR пумпе.

Слика 10. Шема дела уређаја за регулацију рада CR пумпе.

Електронска јединица за управљање импулсима ињектора изведена је помоћу микроконтролера PIC 16F877A. У овом делу електронске јединице налази се DC/DC конвертор 12/80 V/V i 12/150 V/V, чији напони служе за окидање електромагнетних и пиезо ињектора. Окидање електромагнетних ињектора импулсима изведено је MOSFET IRF3710 [7], а окидање пиезо ињектора MOSFET IRF640 [8] транзисторима. Затим, електронске плочице реализоване са поменутим микроконтролером које генеришу импулсе за окидање поменутих ињектора. Оптокаплерима CNY17 [9] је извршено галванско раздвајање излазних пинова микроконтролера од улазних пинова транзистора. Напајање излазног дела оптокаплера извршено је стабилизатором напона 7810 [10], док се разделником напона, сачињеном од два отпорника, од 100 Ω и 1000 Ω, доводи на gate MOSFET транзистора. Напоном са поменутог разделника одређена је радна тачка транзистора. На Слици 11 приказана је шема дела уређаја за генерисање импулса. Microchip микроконтролери PIC16F876A и PIC16F877A програмирани су PICBASIC-ом у Micro Code Studio 4.0.0 окружењу [11].

Слика 11. Шема дела уређаја за генерисање импулса.

При тесту ињектора задају се следећи параметри, тј. симулација броја обртаја, време трајања импулса Vti, подешава се од 120 µs ди 3000 µs, и број импулса Bi до 1000 импулса. На крају теста изврши се визуелно мерење убризгане количине уља и прелив и изврши се поређење са фабричким тест листама. На Слици 12 приказана је убризгана количина тест уља (у мензури) за одабрани ињектор и тест прелива за исти.

Слика 12. Изглед убризгане количине тест уља (у мензури) за одабрани ињектор и тест прелива за исти.

На Слици 13 дат је пример тест листе за један ињектор.

Слика 13. Пример тест листе за један ињектор.

4 ЗАКЉУЧАК

Савремена опрема за испитивање Common Rail Inject-ора поред многих предности има један недостатак, а то је висока цена опреме. Произвођачи испитних столова за испитивање Common Rail Injectpr-a: Bosch, Delphi, Denso и Siemens имају веома савремене и добре испитне столове, али са ценом од преко 50 000 евра. У овом раду приказан је процес реализације уређаја који има улогу да тестира исправност Common Rail Inject-ора на испитном столу чија цена је знатно мања од цене водећих светских прроизођача, а који је аутор овог рада у потпуности реализовао.

Уређај за тестирање је базиран на управљању помоћу Microchip микроконтролера серије PIC16F. Разматрано је тестирање два типа ињектора- електромагнетског и пиезо ињектора, при чему се могу истовремено тестирати четири ињектора у тзв. секвент режиму. Управљање је остварено помоћу четири MOSFET транзистора IRF30710 за електромагнетске и IRF640 за пиезо ињекторе. Такође, применом оптокаплера извршено је и галванско одвајање излаза микроконтролера од улазних пинова транзистора. Галванско одвајање напајања ињекора од напајања уређаја изведено је применом DC/DC конверора. У оквиру рада је дат детаљан опис принципа рада уређаја, начин реализације електронске јединице за контролу и управљање тестером, као и програмски код за микроконтролере употребљене за реализацију уређаја.

Предност овог уређаја, као што је већ речено, огледа се у ниској цени израде, која је и до 25 пута мања од поменуте. Наравно, уређај има и одређене и мане, а то је немогућност софтверског кодовања ињектора.

За дијагностиковање исправности Common Rail Inject-ора потребно је одређено знање из области електротехнике и електронике, као и основно знање рада мотора са унутрашњим сагоревањем, што је знатно виши ниво од нивоа знања квалификованог аутомеханичара.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Никола Гунић, ,,Дијагностика електронских система моторних возила”, 2. издање, 1. део, Београд, 2014. године.

[2] Ј. Јанићијевић, ,,Аутоматско управљање у моторним возилима“, Машински Факултет Београд, 1992. године.

[3] Милић Ђекић, Предраг Дудуковић, ,,Електрична мерења“, ТФ Чачак, 1997. године.

[4] PIC 16F876A Data Sheet, Microchip

[5] PIC 16F877A Data Sheet, Microchip

[6] MOSFET IRFZ44N Data Sheet, ISC

[7] MOSFET IRF3710 Data Sheet, ISC

[8] MOSFET IRF640 Data Sheet, ISC

[9] Оптокаплер CNY17 Data Sheet, ISC

[10] Стабилизатор напона 7810 Data Sheet, ISC

[11] Војо Миловановић, ,,Програмирање микроконтролера PICBASIC - ом”,Агенција EHO, Ниш, 2011. година.