IZLAZNI – IZVRŠNI ORGANI I POKAZIVAČI

U elektronskim sistemima merenja i upravljanja na motornim vozilima kao izlazni organi koriste se različite vrste elektroventila, servomotori, koračni motori, indukcioni kalemi, releji, svetlosni i zvučni signalni uređaji i dr.

Izlazni član sistema upravljanja čiji je zadatak da neposredno utiče na objekat ili proces upravljanja naziva se izvršni organ ili aktuator.

ELEKTROVENTILI ZA UBRIZGAVANJE – BRIZGALJKE Brizgaljka predstavlja izvršni organ koji služi za intermitentno ubrizgavanje – raspršivanje goriva

koje se na taj način dovodi na ulaz – otvor usisnog ventila (kod MPI sistema ubrizgavanja) ili u usisni kolektor (kod SPI sistema), a na taj način i u cilindre motora ili direktno u cilindar motora.

Skica brizgaljke koja se koristi kod MPI sistema ubrizgavanja pokazana je na slici 1.

Slika 1 Skica brizgaljke

1. Kalibrisana mlaznica, 2. Igla, 3. Armatura, 4. Povratna opruga, 5. Namotaji solenoida, 6. Električni priključak, 7. Sito, 8. Telo ventila, 9. Kućište brizgaljke

Upravljački naponski impuls trajanja ti u namotaju brizgaljke obrazuje magnetsko polje koje deluje na kotvu podižući iglu brizgaljke za oko 50 µm iz njenog sedišta i na taj način otvarajući kalibrisanu mlaznicu. Podrazumevajući da su fizička svojstva goriva (viskoznost, gustina) nepromenljiva i da regulator pritiska održava konstantan pritisak goriva, količina ubrizganog goriva isključivo zavisi od vremena otvorenosti brizgaljke te.

Količina ubrizganog goriva izražava se preko dinamičkog protoka qdin u gramima za 1000 radnih taktova motora ili u miligramima za jedan radni takt:

estdin ∆tQq )60(=

gde su:

Qst, g/min – ustaljeni protok koji reprezentuje kapacitet brizgaljke,

∆te, ms – vremenski interval,efektivno vreme (trajanje) brizganja.

Prema oznaci na dijagramu, slika 2, koji predstavlja karakteristiku dinamičkog protoka brizgaljke,

∆te = ti – ts ,

gde su:

ti, ms – vreme trajanja pobudnog naponskog impulsa,

ts, ms – vreme kašnjenja (odziva) brizgaljke,

Karakteristika dinamičkog protoka brizgaljke

Minimalni dinamički protok brizgaljke je

5min. )60( ∆tQq stdin = , gde je ∆t5 =∆te min = ti min – ts – minimalno dozvoljeno efektivno trajanje brizganja pri odstupanju realne karakteristike od idealne za ≤ 5 %.

Maksimalna vrednost dinamičkog protoka je:

maxmax )60( estdin t∆Qq = , gde su:

∆te max = ti max – ∆ts – maksimalno dozvoljeno efektivno trajanje brizganja,

ti max = T – ∆t ,

T, ms – vreme ponavljanja (perioda) pobudnih impulsa brizgaljke,

∆t, ms – vreme neaktivnosti brizgaljke između dva pobudna impulsa (∆t ≥ 1 ms).

Uključenje brizgaljki u određenim vremenskim intervalima vrši se pomoću brzih prekidačkih tranzistora koji su sastavni deo elektronske upravljačke jedinice (slika 3). Prekidački tranzistori mogu biti integrisani u pogonski poluprovodnički sklop koji istovremeno vrši dijagnostiku ispravnosti brizgaljki merenjem struje koja teče kroz uključenu brizgaljku odnosno napona kada je brizgaljka isključena.

Električna provera ispravnosti brizgaljki vrši se prvo proverom ispravnosti namotaja solenoida brizgaljke merenjem otpornosti namotaja solenoida.

Slika 3. Električna šema upravljanja radom brizgaljki Merenje ispravnosti brizganja goriva može se vršiti na probnom stolu tako što se dovede

napajanje gorivom na brizgaljku a zatim se brizgaljka otvori električnim signalom. Može se tada izmeriti statički protok brizgaljke a vizuelno utvrditi oblik raspršivanja goriva.

Brzo utvrđivanje kvaliteta brizganja može se ispitati metodologijom prikazanom na slici 4.

Slika 4. Ispitivanje brizgaljki a) curenje, b) protok goriva

REGULACIONI PULZIRAJUĆI ELEKTROVENTIL Kao izvršni organ za upravljanje protokom para iz kanistera u usisni kolektor u fazi ispiranja

aktivnog uglja koristi se pulzirajući elektroventil. U principu, zavisno od pobude i odgovarajućeg položaja zasuna / kotve elektromagneta elektroventil može da ima dva radna stanja, da bude otvoren ili zatvoren. Pobuđujući namotaj elektroventila impulsima učestanosti f i menjajući odnos između vremena otvorenosti ventila to i vremena zatvorenosti tz, odnosno menjajući relativno trajanje otvorenosti (duti cycle)

τ =+

= =t

t ttT

f to

o z

oo ,

može se menjati i protok fluida kroz elektroventil.

Slika 5. Regulacioni pulzirajući elektroventil

1. Priključne cevi, 2. Nepovratni ventil, 3. Povratna opruga, 4. Zaptivač, 5. Kotva solenoida, 6. Ležište zaptivača, 7. Kalem solenoida

Srednji zapreminski protok fluida (para) koji se pri tome ostvari je

Ttqq o

epv µ= ,

gde su:

µp – koeficijent pulzirajućeg protoka,

ρξ

µ pq oe

∆

−=

2

1 2 – efektivni protok kroz suženje u sedištu ventila,

µo – koeficijent kontrakcije strujnica fluida,

ξ – odnos suženja,

∆p – razlika pritisaka fluida na suženju,

ρ – gustina fluida.

Odgovarajući srednji maseni protok fluida je:

q qm v= ρ .

Primenom impulsno širinske modulacije (Pulse Width Modulation – PWM) učestanosti oko 10 Hz na ovaj način se može ostvariti regulacija protoka fluida u granicama od oko 10 % do 90 %.

Slika 6. Tipična primena solenoidnih elektroventila

1. Filter za vazduh, 2. Usisni kolektor, 3. Izlaz ka motoru, 4. Regeneracioni ventil, 5. Ventil za uključenje, 6. Filter sa aktivnim ugljem, 7. Rezervoar, 8. Čep rezervoara, 9 Senzor pritiska

INDUKCIONI KALEM Indukcioni kalem je izvršni organ u baterijskim sistemima paljenja čiji je zadatak da obrazuje

varnicu na svećici koja ima ulogu varničara. Po svojoj konstrukciji indukcioni kalem predstavlja impulsni transformator, s tim što se izvodi kao uljni (smešten u kućištu ispunjenom transformatorskim uljem) ili kao suvi.

Slika 7. Indukcioni kalem

Kod baterijskih sistema za paljenje sa sakupljanjem energije u induktivnosti indukcioni kalem ima zadatak da akumulira energiju kojan treba da se pretvori u visokonaponsku varnicu na elektrodama svećice za paljenje. Elektromagnetska energija sakupljena u magnetskom kolu primara, Wm, u trenutku prekida struje ip ima vrednost

2

21 p

m

iLW = ,

gde je L1 – induktivnost primarnog namotaja indukcionog kalema.

Kod konvencionalnih sistema za paljrenje primar indukcionog kalema se obično izvodi sa N1 = 250 do 300 navojaka bakarne žice preseka 0,7 do 0,8 mm2, ukupne otpornosti obično u granicama R1 = 1,6 do 1,8 Ω, a sekundar sa oko N2 = 20000 do 25000 navojaka žice prečnika 0,07 do 0,1 mm, ukupne otpornosti R2 = 8000 do 10000 Ω, pri čemu odnos transformacije iznosi n = N2/N1 = 80 do 100. Induktivnost primara obično ima vrednost u granicama L1 = 6 do 10 mH.

Tipične električne karakteristike indukcionog kalema, kakav se koristi u elektronskim sistemima baterijskog paljenja sa sakupljanjem energije u induktivnosti, su:

u primaru – R1 = 0,72 Ω ; L1 = 3,7 mH ;

u sekundaru – R2 = 7,7 kΩ ; L2 = 29 H

Klasičan indukcioni kalem u sklopu sa razvodnikom paljenja se sve manje koristi a zamenjuje ga elektronski potpuno kontrolisano paljenje gde se na osnovu položaja kolenastog vratila koji se meri pomoću odgovarjućih davača određuje trenutak formiranja varnice.

Najčešća realizacija elektronskog paljenja bez razvodnika kod četvorocilindričnih motora je da se u isto kućište smeste dva indukciona kalema od kojih svaki ima dva visokonaponska kabla koja vode do odgovarajućih svećica. Pobuda tih indukcionih kalemova vrši se pomoću dva posebna izlazna stepena. Pobuđivanjem jednog indukcionog kalema formiraju se dve varnice od kojih jedna ide na cilindar koji je u fazi sabijanja i gde je potrebno upaliti gorivu smešu a drugi ide u cilindar koji je u fazi izduvavanja gde varnica nema nikakvog uticaja (slika 8.). Zbog dvostrukog broja varnica u odnosu na potreban broj vreme rada svećice se bitno smanjuje što je mana ovog tipa paljenja.

Slika 8. Šema paljenja kod dvostrukog indukcionog kalema

Da bi se sprečila pojava nepotrebne varnice za svaki indukcioni kalem u visokonaponsko kolo stavljaju se visokonaponske diode od kojih jedna može da propušta samo pozitivne a druga samo negativne visokonaponske impulse. Posebnom izvedbom izlazog stepena proizvode se visokonaponski impulsi različitog polariteta koji su tako sinhronizovani da stvaraju varnicu samo u cilindru u fazi sabijanja.

Kombinacijom dva visokonaponska kabla sa visokonaponskim diodama polarisanim u jednom smeru i dva kabla sa diodama suprotne polarizacije moguće je realizovati elektronsko paljenje bez

razvodnika sa samo jednim indukcionim kalemom. To rešenje nije praktično jer se formiraju istovremeno dve varnice i povećana je složenost izlaznog stepena da bi se dobio jedan indukcioni kalem manje.

Ovi tipovi elektronskog paljenja bez razvodnika koriste se uglavnom za četvorocilindrične motore jer se ne može primenjivati za trocilindrične i petocilindrične zbog njihove konstukcije a primena kod šestocilindričnih i osmocilindričnih motora je previše komplikovana.

AKTUATOR PRAZNOG HODA Uloga aktuatora praznog hoda je da preko paralelnog (bypass) voda napaja motor s dodatnim

vazduhom saglasno sa odstupanjem broja obrtaja motora u praznom hodu od zadane nazivne vrednosti. Jedno od praktično primenjenih rešenja jeste obrtni elektroventil (elektromotor) sa ograničenim uglom zaokretanja od 90 o u varijantama:

♦ sa jednim namotajem i kontra oprugom (kao kod instrumenta sa kretnim kalemom),

♦ sa dva ukrštena namotaja u opoziciji (logometarski princiop), prema prikazu na slici

Slika 9. Aktuator praznog hoda

Aktuator praznog hoda sa dva ukrštena namotaja (»otvarajući« i »zatvarajući«) naizmenično se pobuđuje s naponskim impulsima iste amplitude, različitog trajanja t1 i t2, periode T = t1 + t2. Uobičajena vrednost učestanosti pobudnih impulsa je f = 1/T = 100 Hz. Pri tome srednja vrednost struje kroz svaki namotaj ima vrednost

Tt

RU

I i

N

n

= ,

gde su:

Un – napon napajanja,

RN – otpornost namotaja.

Kao aktuator praznog hoda mogu da se koriste i solenoidni ventili kod kojih se menjanjem odnosa signal-pauza menja koičina vazduha koja se propušta motoru ali pri ovakvoj regulaciji vazduh ne dolazi kontinualno već u impulsima što može da bude nepovoljno za stabilan rad motora.

Kada je elektronska upravljačka jedinica sistema za regulaciju praznog hoda rešena digitalno aktuator praznog hoda je moguće realizovati pomoću koračnog motora koji pomera klip kojim se zatvara i otvara kanal za prolaz vazduha.

Slika 10. Aktuator praznog hoda sa koračnim motorom

KORAČNI MOTOR Po svojoj konstrukciji i funkciji koračni (stepper) motor je elektromehanički pretvarač - izvršni

organ koji binarno kodirani naponski signal na svom ulazu pretvara u odgovarajući diskretizovani/inkrementalni ugaoni pomeraj izražen u uglovnim inkrementima. Vrednost uglovnih inkremenata je ∆α = 3600/Z , pri čemu broj koraka Z, zavisno od konstrukcije motora, može biti u opsegu od 3 do 200. U praksi se koriste dva osnovna tipa koračnih motora, koračni motori sa magnetskim diskom i koračni motor sa promenljivom reluktansom.

Šematski prikaz dvofaznog koračnog motora sa dvopolnim rotorom (magnetskim diskom) dat je na slici. Na istoj slici prikazane su i sekvence pobuđivanja za obrtanje u jednom smeru.

Slika 11 Dvofazni koračni motor s dvopolnim rotorom

Obrtni moment kod ovog motora ostvaruje se elektromagnetskom silom između magnetskog fluksa rotora i magnetskog polja statorskih polova koji se pobuđuju posredstvom kontakta KA i KB u odgovarajućem redosledu, kako je ilustrovano na prethodnoj slici. Broj koraka po jednom obrtaju motora dat je izrazom

Z = 2 p m

gde su:

p - broj pari polova rotora,

m - broj faza u statoru.

KORAK KA KB 0 1 2 3 4

itd

1 2 2 1 1

1 1 2 2 1

Kontakti KA i KB, koji su pojednostavljeno prikazani na slici, su poluprovodničkog tipa, upravljani pomoću signala generisanih u digitalnim kolima.

Kod koračnih motora promenljive reluktanse (sa kandžastim polovima) obrtni moment ostvaruje elektromagnetska sila između pobudnih namotaja statora i kratkospojnog rotora. Broj polova rotora je manji od broja polova na statoru zbog čega polovi rotora ne mogu svi istovremeno da budu naspram polova statora. Od redosleda pobuđivanja statorskih namotaja zavise smer, a od učestanosti pobuđivanja zavisi brzina obrtanja rotora motora.

Koračni motori su u mernim sistemima našli primenu kao pokazivači, na primer, kao odometar na instrument tabli motornog vozila.

Slika 12. Koračni motor u sistemu praznog hoda