W pierwszej części artykułu opisałem rozwiązania układów zasilania silników ZS, w których wartość kąta wyprzedzenia tłoczenia lub wtrysku była zadawana, ale jej rzeczywista wartość była nieznana. Elektronizacja układów zasilania silników ZS umożliwiła określenie jej wartości, a nawet pomiar ciśnienia w komorze spalania cylindra.

Regulacja kąta wyprzedzenia wtrysku z wykorzystaniem czujnika wzniosu igły wtryskiwacza
Wraz z wprowadzeniem elektronicznie sterowanych układów wtryskowych silników ZS, zarówno z pompami wtryskowymi rzędowymi, jak i rozdzielaczowymi, pojawiła się możliwość regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku. Fragment układu sterowania silnikiem ZS z rozdzielaczową pompą wtryskową, który umożliwia realizację tej funkcji, przedstawia rys. 7.
Program sterujący pracą silnika pobiera z tabeli, która znajduje się w pamięci stałej sterownika (1), zaprogramowanej przez producenta samochodu, tzw. podstawową wartość kąta wyprzedzenia wtrysku. Dla danych warunków pracy silnika jest ona zależna od prędkości obrotowej silnika i masy wtryskiwanego paliwa (oblicza ją program sterujący pracą silnika; zależy między innymi od ustawienia pedału „gazu”). Wizualizacje danych ujętych w tabelach z danymi, w pamięci stałej sterownika (pamięć RAM), nazywamy potocznie „mapami”. W tym przypadku jest to „mapa” kątów wyprzedzenia wtrysku – patrz rys. 8.
Informację o prędkości obrotowej silnika i o położeniu tłoków poszczególnych cylindrów w górnym martwym punkcie (GMP) przesyła czujnik (5, rys. 7).
W kolejnym kroku podstawowa wartość kąta wyprzedzenia wtrysku jest korygowana, aby uwzględnić jej zależność od temperatury płynu chłodzącego silnik. Informacja o niej pochodzi z czujnika (3). Wartość kąta wyprzedzenia wtrysku po korekcji jest tzw. wartością wymaganą. Pompa wtryskowa (2) zostanie tak wysterowana, aby ją uzyskać.
W tym celu sterownik (1) w odpowiedniej chwili wysyła sygnał do przestawiacza wtrysku pompy wtryskowej (2). Jest on informacją dla pompy wtryskowej, kiedy ma ona rozpocząć tłoczenie paliwa. W tej chwili nie rozpoczyna się jednak wtrysk paliwa do komory spalania silnika. Nastąpi on później. Kiedy? Tego sterownik chce się dowiedzieć.
Aby rozpoznać chwilę, w której rozpoczyna się wtrysk paliwa, wtryskiwacz (4) jednego z cylindrów silnika jest wyposażony w indukcyjny czujnik ruchu igły rozpylacza. Generuje on sygnał napięciowy o przebiegu przedstawionym na rys. 9. Gdy igła zaczyna się poruszać, co oznacza początek wtrysku paliwa, do sterownika przesyłany jest sygnał napięciowy. Za początek wtrysku przyjmuje się moment, w którym podczas pierwszego wzrostu napięcia przekracza ono tzw. wartość napięcia progowego – UP, np. 0,15 V (rys. 9).
Z czujnika (5; rys. 7) sterownik silnika (1) otrzymuje informację o położeniu tłoka w górnym martwym punkcie (GMP), również w cylindrze, do którego jest przypisany wtryskiwacz z czujnikiem ruchu igły rozpylacza. Oscylogram sygnału wyjściowego tego czujnika przedstawia rys. 10.

Sterownik na podstawie sygnałów wejściowych o ruchu igły rozpylacza i położeniu tłoka w górnym martwym punkcie (GMP):

• oblicza rzeczywistą wartość kąta wyprzedzenia wtrysku,
• porównuje rzeczywistą wartość kąta wyprzedzenia wtrysku z wartością wymaganą,
• koryguje sygnał wysyłany do przestawiacza wtrysku pompy wtryskowej (2) tak, aby różnica pomiędzy wartością wymaganą a rzeczywistą była możliwie jak najmniejsza – teoretycznie dążymy do różnicy zerowej.

Jest to proces regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku. Jego rzeczywista wartość jest wyznaczana tylko dla jednego wtryskiwacza, bo tylko jeden wtryskiwacz ma czujnik ruchu igły rozpylacza, ale jest ona przyjmowana dla pozostałych wtryskiwaczy

Regulacja kąta wyprzedzenia wtrysku w silnikach ZS zasilanych pompowtryskiwaczami
Pompowtryskiwacz to jednosekcyjna pompa wtryskowa połączona w obudowie z wtryskiwaczem paliwa. Opiszę konstrukcję firmy Bosch, określaną skrótem UIS (Unit Injector System).
Po fazie napełniania pompowtryskiwacza paliwem (brak ilustracji) następuje faza skoku wstępnego (rys. 11). Obracająca się krzywka (1) wymusza ruch tłoczka (2), który wytłacza paliwo z komory (6). Paliwo z niej przepływa przez szczelinę pierścieniową (3), a dalej do kanału przelewowego i zbiornika paliwa. Tłoczek (2) nie jest w stanie wytworzyć w komorze ciśnienia paliwa (6), które może unieść igłę rozpylacza, aby rozpocząć wtrysk paliwa.
Szczelina pierścieniowa (3) pomiędzy iglicą zaworu elektromagnetycznego (5) a jej przylgnią powstaje tylko wówczas, gdy cewka elektromagnesu (4) nie jest zasilana prądem przez sterownik silnika. Dodatkowo iglica zaworu elektromagnetycznego (5) jest utrzymywana w pozycji otwarcia (rys. 11) przez sprężynę (9).
Aby wtrysnąć paliwo do komory spalania, pompowtryskiwacz przechodzi do fazy tłoczenia. Jeszcze w końcu fazy skoku wstępnego cewka elektromagnesu zostaje zasilona prądem o stałym napięciu. Aby prześledzić ruch iglicy zaworu elektromagnetycznego (5; rys. 11 i 13), należy przeanalizować wykres zmian natężenia prądu przepływającego przez cewkę elektromagnesu – rys.12. W przeciwieństwie do wykresu napięcia prądu zasilającego cewkę elektromagnesu, wykres prądu pozwoli zobaczyć „zachowanie” iglicy zaworu elektromagnetycznego, które jest dla nas istotne ze względu na przebieg wtrysku paliwa.
W chwili włączenia prądu zasilającego cewkę – pkt A (rys. 12) – jego natężenie ma wartość zerową. Wraz z upływem czasu zaczyna rosnąć, jednak siła wytwarzana przez elektromagnes jest za mała, aby przesunąć iglicę (5; rys. 13) i zamknąć zawór.
W pewnym momencie natężenie prądu przepływającego przez cewkę elektromagnesu wytwarza siłę, która pokonuje siłę sprężyny (9) utrzymującej iglicę (5) w pozycji otwartej. Iglica zaworu elektromagnetycznego (5) zostaje dociśnięta do gniazda – pkt B na rys. 12. Szczelina (3; rys. 13), przez którą paliwo wypływało z przestrzeni wysokiego ciśnienia (6), zostaje zlikwidowana.
Zakładamy, że w pompowtryskiwaczach początek tłoczenia pokrywa się z początkiem wtrysku paliwa, dlatego pkt B (rys. 12) jest nazywany punktem BIP, od pierwszych liter angielskiego określenia „Begin of Injection Period”, które tłumaczymy jako początek wtrysku paliwa.
Z chwilą zamknięcia przestrzeni wysokiego ciśnienia (6; rys. 13) rośnie w niej ciśnienie paliwa. Jego wartość pozwala na niewielkie uniesienie igły rozpylacza (7). Rozpoczyna się wtrysk dawki wstępnej (8).
Czas od chwili włączenia prądu przepływającego przez cewkę elektromagnesu (4, rys. 13) w pkt A (rys. 12) do chwili zamknięcia zaworu elektromagnetycznego w pkt B nazywamy okresem opóźnienia zamknięcia zaworu elektromagnetycznego – C na rys. 12. Jego wartość jest mierzona przez program sterownika i zapamiętywana. Dzięki niej program sterownika wie, w którym momencie włączyć prąd zasilający cewkę danego pompowtryskiwacza, aby uzyskać wartość kąta wyprzedzenia wtrysku możliwie bliską wartości wymaganej.
W pkt E (rys. 12) kończy się zasilanie cewki elektromagnesu napięciem o stałej wartości, a rozpoczyna zasilanie napięciem impulsowym, co zmniejsza wartość natężenia prądu przepływającego przez cewkę elektromagnesu – okres F. Jest ona wystarczająca dla utrzymania zaworu elektromagnetycznego w stanie zamknięcia.
W pkt G następuje wyłączenie prądu zasilającego cewkę zaworu elektromagnetycznego. Po chwili następuje jego otwarcie. Paliwo z przestrzeni wysokiego ciśnienia (6), podobnie jak na rys. 11, wypływa do układu powrotowego paliwa. Użyłem określenia „podobnie”, ponieważ dzieje się to nie w fazie skoku wstępnego, tylko w trakcie tzw. skoku resztkowego, który kończy ruch tłoczka pompowtryskiwacza (2), wymuszany krzywką (1).
Aby zamknięcie zaworu elektromagnetycznego w pkt B (rys. 12) było uznane za prawidłowe, musi nastąpić w określonym przedziale czasu, oznaczonym D. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, program diagnostyczny sterownika kwestionuje sprawność układu sterującego pompowtryskiwaczem.

Regulacja kąta wyprzedzenia tłoczenia w układach CR z wykorzystaniem świec żarowych typu PSG
Mimo że układy typu common rail są zaawansowane technicznie, kąt wyprzedzenia wtrysku nie jest regulowany. Dla danych warunków pracy silnika (prędkość obrotowa silnika i wielkość dawki paliwa,) wartość kąta wyprzedzenia wtrysku jest:

• pobierana z tzw. mapy (patrz rys. 8) znajdującej się w pamięci stałej sterownika,
• korygowana, aby uwzględnić jej zależność od różnych wielkości, które są mierzone przez czujniki układu sterowania silnikiem.

W typowym układzie typu common rail sterownik w odpowiedniej chwili wysyła sygnał wyjściowy do wtryskiwacza, by zgodnie ze swoją „wiedzą” uzyskać określoną wartość kąta wyprzedzenia wtrysku i czas otwarcia wtryskiwacza. Nie ma jednak możliwości określenia rzeczywistej wartości kąta wyprzedzenia wtrysku, czyli nie jest możliwa jego regulacja.

Ze względu na rosnące wymagania odnośnie do:

• emisji składników szkodliwych, szczególnie tlenków azotu,
• zużycia paliwa,
• osiągów silnika, szczególnie przebiegu krzywej momentu obrotowego silnika,
• kultury pracy silnika i jego głośności – unikanie dużych wartości przyrostów ciśnienia w komorze spalania,

są wykonania układów zasilania silników ZS typu common rail, w których stosuje się świece żarowe typu PSG. Posiadają one czujnik ciśnienia w komorze spalania cylindra. To wspólne opracowanie firm Texas Instrumenst Holland B.V. i Beru. Produkuje je firma Beru. Określenie PSG pochodzi od angielskiej nazwy tej świecy żarowej – Pressure Sensor Glow Plug.
Analogicznie jak w tradycyjnym układzie common rail sterownik (1; rys. 14) wysyła sygnał (2) otwierający wtryskiwacz. Świeca żarowa typu PSG (4) mierzy na bieżąco ciśnienie panujące w komorze spalania cylindra (3). Informacja (5) o jego chwilowej wartości jest przesyłana do sterownika (1).
Przykładowe, rzeczywiste przebiegi ciśnień w komorze spalania, zmierzone przez świecę żarową typu PSG dla 3 różnych prędkości obrotowych i obciążeń silnika przedstawia rys. 15. Na podstawie takich przebiegów ciśnień sterownik dobiera między innymi taką wartość kąta wyprzedzenia wtrysku dla danych warunków pracy silnika, aby maksymalna wartość ciśnienia w komorze spalania i moment jej wystąpienia względem punktu GMP pozwoliły na optymalizację pracy silnika ZS.
Przykładowo można uzyskać korzystniejszy przebieg krzywej momentu obrotowego silnika, mimo niższej maksymalnej wartości momentu obrotowego. Dzięki temu silnik może zapewnić napędzanemu samochodowi lepszą elastyczność lub krótsze czasy przyspieszania, przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji tlenków azotu i hałasu.
Każdy z cylindrów silnika jest wyposażony w świecę żarową typu PSG, więc regulacja kąta wyprzedzenia wtrysku, wg schematu z rys. 14, jest indywidualna dla każdego z nich.

mgr inż. Stefan Myszkowski