Elektroniczna regulacja ciśnienia doładowania

Przydatna wiedza i cenne wskazówki na temat elektromechanicznego siłownika regulacyjnego turbosprężarki o zmiennej geometrii.

Obecnie prawie każdy nowoczesny silnik wysokoprężny a także benzynowy jest wyposażony w turbosprężarkę w celu zwiększenia osiągów i efektywności silnika. Aby zapewnić zawsze optymalne ciśnienie doładowania, należy je dostosować do danego obciążenia. W nowoczesnych pojazdach odbywa się to poprzez elektroniczną regulację ciśnienia doładowania. 

Regulacja ciśnienia doładowania turbosprężarki: Podstawowe informacje

Turbosprężarka wykorzystuje energię gazów spalinowych do zasysania i sprężania świeżego powietrza do spalania. Dzięki temu do komory spalania dostaje się większa ilość powietrza, a tym samym więcej tlenu. Zwiększa się moc i moment obrotowy silnika. W uproszczeniu, turbosprężarka zawiera turbinę i sprężarkę spalin, które są połączone ze sobą wałem. Spaliny wypływające z silnika napędzają turbinę, a tym samym łopatki sprężarki. 

 

Aby dostosować ciśnienie doładowania do danego stanu obciążenia oraz chronić silnik i turbosprężarkę, konieczna jest regulacja ciśnienia doładowania. W zależności od typu turbosprężarki można zastosować mechaniczno-pneumatyczne lub elektromechaniczne urządzenie regulacyjne. W dalszej części tego rozdziału zajmiemy się przede wszystkim sterowaniem elektromechanicznym.

Elektromechaniczne urządzenie sterujące do turbosprężarki

Siłownik turbosprężarki, zwany również aktuatorem, nastawnikiem lub regulatorem ciśnienia doładowania, jest elektronicznym urządzeniem sterującym regulowanej turbosprężarki i jest stosowany głównie w turbosprężarkach o zmiennej geometrii (VNT lub VTG).

 

W tych turbosprężarkach o zmiennej geometrii siłownik niezawodnie i precyzyjnie reguluje ustawienie łopatek kierujących. Poprzez zmianę położenia łopatek kierujących wpływa się na przepływ spalin na koło turbiny, a tym samym zmienia się ciśnienie doładowania, które można optymalnie dostosować do wszystkich zakresów prędkości obrotowej. Wymagane ciśnienie doładowania jest regulowane zgodnie z mapą charakterystyk zapisaną w sterowniku silnika. Sterownik silnika wysyła żądane ciśnienie doładowania w formie sygnału do siłownika turbosprężarki poprzez magistralę danych. Aktuator ustawia odpowiednio łopatki kierujące zgodnie z żądanym położeniem kątowym zawartym w sygnale. 

 

Zaletami elektronicznego urządzenia sterującego są:

  • Szybsza reakcja turbosprężarki nawet przy niskich prędkościach obrotowych silnika
  • Dokładna regulacja ustawienia łopatek kierujących we wszystkich zakresach prędkości obrotowej
  • Poprawa emisji spalin

Regulacja ustawienia łopatek kierujących

Ruchome łopatki kierujące są osadzone w obudowie turbiny po obwodzie na pierścieniu mocującym i połączone z pierścieniem regulacyjnym za pomocą sworzni prowadzących na osiach łopatek. Pierścień regulacyjny jest z kolei połączony z siłownikiem turbosprężarki za pomocą cięgna. 

 

Jeśli pierścień regulacyjny jest przesuwany przez siłownik, to wszystkie łopatki kierujące są przestawiane synchronicznie i w ten sposób powierzchnia wlotowa turbiny jest zmniejszana lub zwiększana. To z kolei ma wpływ na efektywność przepływu spalin, a tym samym na prędkość obrotową turbiny. Dzięki temu ciśnienie doładowania może być w sposób celowy zwiększane lub zmniejszane. 

Siłownik turbosprężarki: Budowa i zasada działania

Głównym zadaniem siłownika (aktuatora) jest ustawienie wałka do pozycji określonej przez sterownik lub obliczonej na podstawie mapy.

 

Położenie wałka jest określane w sposób ciągły za pomocą bezdotykowego, indukcyjnego czujnika położenia (czujnik CIPOS) i aktywnie przekazywane dalej. Pomiar kąta odbywa się na zasadzie indukcyjnej metodą bezdotykową, a więc bezzużyciową, co zapewnia wysoką dokładność pomiarów na przestrzeni całego okresu eksploatacji. Zastosowaną technologię CIPOS charakteryzuje przede wszystkim wysoka odporność na pola elektromagnetyczne i stabilność termiczna.

 

Oprócz czujnika CIPOS do precyzyjnego określania pozycji, zintegrowana elektronika obejmuje również sterowanie silnikiem elektrycznym i diagnostykę usterek. W ten sposób można wykrywać usterki, zgłaszać je oraz automatycznie inicjować odpowiednie reakcje. Siłownik posiada elastyczny zakres kąta pracy i wykonuje kontrolowany ruch do ogranicznika końcowego. 

 

W zależności od wersji, komunikacja w pojeździe możliwa jest zarówno poprzez magistralę CAN, jak i poprzez sygnał modulowany szerokością impulsu (PWM).

Usterka elektronicznego regulatora ciśnienia doładowania

Awaria elektromechanicznego siłownika turbosprężarki może objawiać się w następujący sposób:

  • Utrata mocy
  • Słabe lub niewystarczające przyspieszenie
  • Zaświecenie się lampki kontrolnej silnika
  • Zmniejszenie prędkości pojazdu
  • Pojazd pracuje w trybie awaryjnym
     

Przyczyny usterek elektronicznego regulatora ciśnienia doładowania: Przyczyna awarii

Przyczyny usterki siłownika turbosprężarki mogą być następujące:

  • Cięgno urządzenia regulacyjnego lub łopatek kierujących jest zatarte lub uszkodzone
  • Korozja elementów elektrycznych spowodowana wpływem środowiska (woda, sól itp.)
  • Uszkodzenia mechaniczne spowodowane działaniem czynników zewnętrznych

 

Usterka w przekładni siłownika turbosprężarki jest zwykle poprzedzona niesprawnością mechanizmu regulacji łopatek kierujących w turbosprężarce. Z biegiem czasu, przepływ spalin powoduje silne zanieczyszczenie wewnątrz turbosprężarki. To gromadzenie się sadzy pogarsza łatwość ruchu łopatek kierujących. Cały mechanizm regulacji potrzebuje wówczas większego momentu obrotowego i w konsekwencji dochodzi do uszkodzenia przekładni w aktuatorze i zapisania kodu usterki w sterowniku silnika.

Wyszukiwanie usterek i naprawa elektronicznego regulatora ciśnienia doładowania: Wskazówka dotycząca naprawy

W ramach wyszukiwania usterki, po przeprowadzeniu diagnostyki ECU należy najpierw przeprowadzić kontrolę wzrokową turbosprężarki w komorze silnika.

 

Turbosprężarka z jej poszczególnymi elementami powinna być zawsze traktowana i diagnozowana jako całość. Większość producentów pojazdów nie dostarcza części zamiennych do turbosprężarek VNT/VTG. Nie dlatego, że nie można mieć zaufania do wymiany pojedynczych części w warsztacie, ale dlatego, że turbosprężarka i siłownik elektromechaniczny muszą być do siebie precyzyjnie dopasowane przed zamontowaniem w pojeździe. Kalibracja ta jest przeprowadzana w stanie wymontowanym na stanowisku przepływowym do ustawiania turbosprężarek (zwanym flow bench). Na tym specjalnym stanowisku kontrolnym, w ramach regulacji podstawowej, jest określane i ustawiane natężenie przepływu właściwe dla danego pojazdu (przepływ MIN/MAX). W zależności od wersji, przed kalibracją może być konieczne aktywowanie niektórych siłowników za pomocą specjalnej mapy charakterystyk, aby następnie siłownik został rozpoznany w pojeździe przez sterownik silnika.

Mimo że wiele siłowników turbosprężarek wygląda z zewnątrz tak samo, to ich budowa i konfiguracja różni się w zależności od modelu pojazdu i turbosprężarki. W odpowiedniej kombinacji z turbosprężarką, zgodnie z wymaganiami producenta pojazdu, mogą być zamontowane dwa typy siłowników HELLA do turbosprężarek. Rozróżnia się tutaj wersje „Smart” oraz „Simple”. „Smart”, dzięki wbudowanej jednostce sterującej, autonomicznie reguluje ustawienie łopatek kierujących, natomiast wersja „Simple” jest załączana przez nadrzędny sterownik silnika. Mimo podobieństw zewnętrznych, techniczna koncepcja elektroniki, przekładni lub konfiguracji obudowy jest zasadniczo różna.

 

Dlatego naprawa polegająca na podmianie części, takich jak przekładnia lub elektronika, pochodzących z różnych siłowników nie jest możliwa.

Sprawdzanie sterownika za pomocą urządzenia diagnostycznego na przykładzie samochodu Mercedes-Benz E350: Diagnostyka sterownika

Poniższe informacje diagnostyczne są podane na przykładzie samochodu Mercedes-Benz E350 24V CDI (212) z roku 2014. 

 

Działanie siłownika turbosprężarki jest monitorowane przez odpowiedni nadrzędny sterownik. Występujące usterki są zapisywane w pamięci sterownika silnika i mogą być odczytywane za pomocą odpowiedniego przyrządu diagnostycznego. W zależności od pojazdu i systemu, w przyrządzie diagnostycznym można wybrać i wyświetlić dodatkowe funkcje, takie jak parametry lub test nastawników. Dane uzyskane z komunikacji ze sterownikiem są podstawą do właściwej lokalizacji usterki i skutecznej naprawy.

Kod usterki

W ramach tej funkcji można odczytywać i usuwać kody usterek zapisane w pamięci sterowników. Dodatkowo można też wyświetlać informacje o poszczególnych kodach usterek.

 

W naszym przykładzie zostało odłączone złącze elektryczne przy siłowniku turbosprężarki, w wyniku czego w pamięci zapisał się kod usterki P004500.

 

P004500 / klapa ograniczająca doładowanie
> błąd elektryczny lub przerwa

Parametry

W tej funkcji można wybrać i wyświetlić aktualne wartości pomiarowe, takie jak ciśnienie atmosferyczne i ciśnienie doładowania.

Ustawienie podstawowe

W tej funkcji wartości krańcowe nowej turbosprężarki mogą zostać wprowadzone do nadrzędnego sterownika.

Test nastawników

W tej funkcji elektromechaniczny siłownik turbosprężarki może być sterowany przez przyrząd diagnostyczny. W ten sposób, bez kłopotliwego demontażu, można sprawdzić działanie urządzeń peryferyjnych i odpowiednich elementów systemu.

Schematy elektryczne

W celu zlokalizowania uszkodzenia można wykorzystać schematy elektryczne dla danego układu, pobrane z informacji o pojeździe. Tutaj można na przykład odczytać przypisanie pinów w złączu siłownika turbosprężarki i wykorzystać do dalszego wyszukiwania usterki. 

Wskazówka!

Różne możliwości diagnostyczne przedstawiono na przykładzie testera diagnostycznego mega macs 77. Zakres badania i dostępnych funkcji mogą się różnić w zależności od marki pojazdu i są zależne od konfiguracji sterownika.

 

Schematy, rysunki, zdjęcia i opisy mają tylko charakter objaśniający oraz opisowy i nie mogą być wykorzystywane jako podstawa naprawy danego pojazdu.