Rækkeindsprøjtningspumpe Indsprøjtningsteknik og brændstoftilpasning For at sikre en god blanding af brændstof og luft til dieselmotorens forbrændingsproces skal indsprøjtningspumpen kunne præstere et tryk fra 400 til 1150 bar og dosere brændstoffet med størst mulig præcision. En optimal afstemning mellem brændstofforbrug, luftforurening og dieselmotorens funktion forudsætter at indsprøjtningen begynder med en nøjagtighed på ca. 1 Krumtap Vinkel (KV). 2 1 1 Tilslutning for trykrør til indsprøjtningsforstøvere 2 Regulatorhus 3 Forbindelse til speeder 4 Fødepumpe 3 Rækkeindsprøjtningspumpe med regulator For at regulere indsprøjtningstidspunktet og kompensere i forhold til et stigende omdrejningstal er pumpen forsynet med en indsprøjtningsforstiller, der ved stigende omdrejningstal forstiller indsprøjtningstidspunktet tidligere i forhold til grundindstillingen. Den mekaniske regulator bestemmer brændstofmængden (mm 3 / pumpeslag), der reguleres i forhold til motorens belastning og omdrejningstal. Dieselmotorer med mekanisk regulator har ikke gasspjæld til regulering af motorens omdrejningstal. Det er derfor alene mængden af det indsprøjtede brændstof, der bestemmer dieselmotorens effekt og omdrejningstal. 4 1 Trykventil 2 Pumpecylinder 3 Pumpestempel 4 Reguleringsstang 5 Reguleringsbøsning 6 Stempelfjeder 7 Indstillingsskrue 8 Rulleløfter 9 Knastaksel 10 Knast 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Indsprøjtningspumpe 227
Dieselmotorens brændstofsystem 1 Tilløbsboring 2 Langsgående not 3 Cylinder 4 Stempel 5 Styreboring (tilløb og returløb) 6 Styrekant Pumpeelement I rækkepumpen er der et pumpeelement for hver af motorens cylindre. Pumpeelementet består af en cylinder, der har et tilløbsboring og en styreboring eller en kombination af tilløbsog styreboring. Stemplet har en langsgående udfræsning (not), der er i forbindelse med en skrå udskæring. Den skrå udfræsning betegnes som styrekanten. Cylinder og stempel er en enhed, der er tilpasset med stor præcision for at sikre tæthed ved det meget høje arbejdstryk. Pumpeelement Pumpeelement i forskellige funktionsfaser A Nedre dødpunkt B Levering start C Levering D Levering slut I pumpestemplets nederste dødpunkt (ND) vil brændstoffet flyde fra sugerummet gennem tilløbsboringen og fylde trykkammeret i pumpeelementet. Knastakslens drejning i pumpehuset bevirker, at knasten gennem rulleløfteren løfter stemplet, der med overkanten afbryder forbindelsen til sugerummet og presser brændstoffet gennem trykventilen ind i trykledningen til indsprøjtningsdysen. Brændstofleveringen ophører, når styrekanten åbner en forbindelse til styreboringen. Trykkammeret er gennem længde- og skrånot nu i forbindelse med sugerummet, og brændstoffet vil under stemplets fortsatte bevægelse mod øverste dødpunkt (ØD) trykkes tilbage i sugekammeret. Ved stemplets bevægelse fra ØD til ND vil der, når styrekanten igen afbryder forbindelsen mellem trykkammer og sugerum, opstå et undertryk i trykkammeret. Når overkanten på stemplet frigiver forbindelsen til tilløbsboringen, vil brændstoffet hurtigt fylde trykkammeret, og en ny cyklus kan begynde. 228
Regulering af brændstofmængde Brændstofmængden ændres ved drejning af stemplet, idet den skrå styrekant i forhold til styreboringen vil betyde en mindre eller større effektiv slaglængde. Den maksimale brændstofmængde opnås, når stemplet er drejet i en stilling, hvor afstanden fra stemplets øverste kant til styrekantens not er størst. Ingen indsprøjtning (standsning af motor) fremkommer ved drejning af stemplet til en stilling, hvor den langsgående not er placeret ud for styreboringen. 1 Pumpecylinder 2 Pumpestempler 3 Tilløbsboring 4 Udnyttet slaglængde 5 Styrekant 6 Reguleringsstang Pumpestemplerne forbindes med reguleringsstangen for at sikre en ensartet brændstoflevering fra alle pumpeelementerne A Ingen levering B Delvis levering C Maksimal levering På pumpeelementet er monteret en styrebøsning og tandkrans, der med en udfræsning er i indgreb med pumpestemplet. Udfræsningen tillader stemplets langsgående bevægelse i cylinderen samtidig med at stemplet drejes for at tilpasse brændstofmængden. Ved at forbinde samtlige pumpeelementer med en reguleringsstang, der er forbundet til regulatoren, er det muligt at få en ensartet levering af brændstof fra de enkelte elementer. Reguleringsstangens bevægelse begrænses af et indstilleligt anslag for fuldlastmængde. Dette anslag er justeret i overensstemmelse med fabrikantens data for at undgå unødig røgudvikling og overbelastning af motoren. Fuldlastanslaget kan være indrettet således, at det tillader en ekstra bevægelse af reguleringsstangen for at sikre motorens start med en ekstra stor brændstofmængde. 229
Dieselmotorens brændstofsystem 1 Trykventilholder 2 Ventilfjeder 3 Trykventil 4 Ventilsæde 5 Ventilstyr Tryk- og aflastningsventil A Lukket B Brændstoflevering 1 Ventilsæde 2 Aflastningsstempel 3 Ringnot 4 Ventilstamme 5 Langsgående not Ventilkegle med aflastningsstempel Trykventil Trykventilen har til opgave at afbryde forbindelsen mellem trykrør og pumpecylinder. Når styrekanten får kontakt med styreboringen, falder trykket hurtigt i pumpecylinderen. Det højere tryk i røret til indsprøjtningsdysen vil sammen med ventilfjederen presse trykventilen mod ventilsædet, indtil næste indsprøjtning begynder. For at undgå uønsket efterdrypning af brændstof fra indsprøjtningsdysen skal trykrøret aflastes. En hurtig og nøjagtig lukning af indsprøjtningsdysen opnås ved at trykventilen er forsynet med et aflastningsstempel. Ved trykfaldet i pumpecylinderen glider aflastningsstemplet ind i ventilholderen og forhindrer yderligere tilbageløb af brændstof til pumpecylinderen. Efterfølgende lukker ventilkeglen mod ventilsædet, og trykrørets volumen er forøget. Aflastningsvolumen er afstemt efter trykrørets længde. Regulator Uden reguleringssystem vil dieselmotoren ikke kunne fastholdes i et fast tomgangsomdrejningstal. Selv med en fast indstilling af indsprøjtningsmængden vil omdrejningstallet variere i forhold til motorens belastning af hjælpeudstyr, f.eks. generator, indsprøjtningspumpe m.v., eller motorens temperatur med hensyn til indre friktion. Ved stor belastning kan omdrejningstallet falde til et punkt, hvor motoren ikke kan holdes i gang, eller omdrejningstallet vil stige, efterhånden som belastningen falder, en situation, der ville opstå som en følge af, at motoren arbejder med luftoverskud, og der derfor ikke sker nogen regulering af indsugningsluften. Dieselmotorens konstruktion gør det også nødvendigt at overholde et maksimalt omdrejningstal for at undgå skader på motoren. Regulatorens opgave er derfor at sikre et stabilt omdrejningstal i tomgang og sikre, at det maksimalt tilladelige omdrejningstal ikke bliver overskredet. Mekanisk regulator Omdrejningstalregulatoren er en centrifugalregulator, der findes i flere konstruktionstyper med forskellige reguleringsformål. Tomgangs- og maksimalomdrejningsregulatoren sikrer en stabil tomgang, og at det maksimalt tilladelige omdrejningstal overholdes. Ved alle omdrejningstal mellem tomgangs- og maksimalomdrejningstallet har regulatoren 230
ingen indvirkning. Her er det alene speederens stilling gennem regulatoren, der bestemmer reguleringsstangens bevægelse og pumpestemplernes stilling - og dermed mængden af brændstof, der indsprøjtes. Forstillingsregulatoren anvendes til motorer, hvor det er vigtigt at fastholde et bestemt omdrejningstal. Denne regulator kan udover at regulere tomgangsomdrejningstallet og sikre maksimalomdrejningstallet også fastholde de mellemliggende omdrejningstal uanset motorbelastningen, hvis motoren har den nødvendige effekt til rådighed. Tomgangs- og maksimalregulatoren består af en enhed med centrifugalvægte, to fjedersæt (tomgangs- og maksimalreguleringsfjedre) og regulatornav, der er monteret på indsprøjtningspumpens knastaksel. Speederen er gennem et kulissesystem og reguleringsarm forbundet til 1 Gaffelled 2 Fjedertallerken 3 Spiludligningsfjeder 4 Reguleringsstang 5 Indstillingsmøtrik 6 Reguleringsfjeder 7 Centrifugalvægte 8 Forstillingsarm 9 Reguleringsarm 10 Kulissesten 11 Hængselled 12 Glidesten 13 Føringsbolt 14 Forstillingsbolt 15 Vinkelarm Tomgangs- og maksimalomdrejningstals-regulator 1 Start 2 3 Stop 4 5 6 7 8 1 Pumpestempel 2 Reguleringsaksel 3 Stop for maksimalt omdrejningstal 4 Speeder 5 Startfjeder 6 Stop- og tomgangsjustering 7 Reguleringsfjeder 8 Supplerende tomgangsfjeder 9 Knastaksel 10 Centrifugalvægt 11 Forstillingsbolt 12 Anlægsfjeder 13 Fuldlaststop 9 11 12 10 13 Forstillingsregulator 231
Dieselmotorens brændstofsystem 1 Gaffelled 2 Pumpestempel 3 Fjedrende reguleringsstangsanlag 4 Reguleringsstang 5 Indstillingsmøtrik 6 Reguleringsfjeder 7 Centrifugalvægte 8 Forstillingsarm (speeder) 9 Reguleringsarm 10 Kulissesten 11 Fuldlastanslag 12 Glidesten 13 Føringsbolt 14 Forstillingsbolt 15 Vinkelarm 16 Stopanslag 17 Indsprøjtningspumpens knastaksel 18 Regulatornav reguleringsstangen. Kulissesystemet ændrer omsætningsforholdet på reguleringsarmen mellem forstillingsbolten og reguleringsstangen i forhold til speederens stilling. Indsprøjtningstidspunkt De væsentligste kriterier for optimering af dieselmotoren er: Mindst mulig luftforurening God motorgang med mindst mulig forbrændingsstøj Mindst muligt brændstofforbrug i forhold til motorens effekt Regulator i stopstilling (skematisk) For at tilgodese disse kriterier er det nødvendigt, at forbrændingsprocessen forløber optimalt uanset motorens omdrejningstal, hvilket betyder, at højeste forbrændingstryk skal være effektivt ved 10-15 krumtapgrader efter øverste dødpunkt i forbrændingstakten. Leveringsbegyndelse Leveringsbegyndelse betegner det tidspunkt, hvor brændstoffet kommer under tryk i pumpeelementet og trykrøret. Dette tidspunkt er fastlagt i forhold til indsprøjtningsforsinkelsen og tændingsforsinkelsen. Indsprøjtningsforsinkelse Indsprøjtningsforsinkelsen er tidsrummet fra leveringsbegyndelse, til brændstoffet indsprøjtes i forbrændingsrummet. Tændingsforsinkelse Tændingsforsinkelsen er det tidsrum, der forløber, fra brændstoffet indsprøjtes i forbrændingsrummet, til forbrændingen begynder. Forbrændingshastighed Ved varierede motoromdrejninger, men under nogenlunde ensartede belastningsforhold, er indsprøjtnings- og 232
tændingsforsinkelse samt forbrændingshastighed næsten konstant. Når omdrejningstallet stiger, vil det højeste forbrændingstryk derfor først være effektivt ved et højere antal grader efter øverste dødpunkt, hvilket kan medføre effekttab og uheldig røgudvikling. For at sikre et effektivt forbrændingsforløb er det derfor nødvendigt at forstille indsprøjtningstidspunktet i retning mod "tidligere", efterhånden som omdrejningstallet stiger. Indsprøjtningsforstiller Indsprøjtningsforstilleren er indbygget i indsprøjtningspumpens drivhjul og monteret direkte på indsprøjtningspumpens knastaksel. Forstilleren består af et sæt centrifugalvægte og fjedre. Ved forøgelse af omdrejningstallet vil centrifugalvægtene slynges ud i forhold til fjedrenes karakteristik. Gennem en excentrik drejes forstillernavet og dermed knastakslen i pumpen. Excenter-indsprøjtningsforstilleren kan forstille op til 30 målt på krumtappen. 1 Drivhjul 2 Nav 3 Hus 4 Forstillingsexcentrik 5 Udligningsexcentrik 6 Navbolte 7 Centrifugalvægt 8 Lejeskive 1 2 Indsprøjtningsforstiller 3 4 5 6 7 8 α α Indsprøjtningsforstiller A Stilstand B Lave omdrejninger C Slutstilling ved høje omdrejninger α = forstillingsvinkel 233
Dieselmotorens brændstofsystem e 1 Pumpecylinder 2 Styrebøsning for indsprøjtningsbegyndelse 3 Regulatorstang 4 Pumpestempel 5 Knastaksel 6 Magnetenhed for indsprøjtningsforstilling 7 Forstillingsaksel for styrebøsning 8 Magnetenhed for mængderegulering 9 Induktiv sensor for reguleringsstang 10 Stik 11 Induktiv sensor for omdrejningstal Rækkepumpe med elektronisk regulering I rækkepumper med elektronisk regulering, EDC, erstatter elektromagnetiske reguleringsenheder centrifugalregulator og indsprøjtningsforstiller. Brændstofmængderegulering Pumpeelementet i den elektroniske indsprøjtningspumpe er konstrueret efter det samme princip som i den mekanisk regulerede indsprøjtningspumpe med styreboring og styrekant, men med den tilføjelse, at pumpestemplet har en styreboring, der gør det muligt at styre begyndelsestidspunktet for levering af brændstof. Reguleringsstangen er tilkoblet en elektromagnetisk reguleringsenhed, der afhængig af signalet fra styreenheden bevæger reguleringsstangen. Når den elektroniske regulering er strømløs, vil en fjeder trykke reguleringsstangen i stillingen "Ingen indsprøjtning". I forbindelse med reguleringsstangens bevægelser vil en induktiv sensor registrere reguleringsstangens aktuelle stilling. Rækkepumpe med elektronisk regulering 248
Regulering af indsprøjtningstidspunkt I en mekanisk reguleret indsprøjtningspumpe er indsprøjtningstidspunktet det tidspunkt, hvor pumpestemplet lukker for tilløbsboringen og trykopbygningen forplantes gennem trykrøret til indsprøjtningsdysen. Denne indstilling er en grundindstilling og ændres kun i forhold til motorens omdrejningstal af indsprøjtningsforstilleren. Den elektronisk styrede indsprøjtningspumpe er indrettet med en styrebøsning i pumpeelementets sugekammer. Styrebøsningen kan bevæges i samme retning som pumpestemplet, hvilket medfører, at begyndelsestidspunktet for brændstoflevering kan varieres uafhængig af motorens omdrejningstal. Brændstoflevering Fra sugerummet i pumpeelementet fyldes trykkammeret med brændstof gennem styreboringen. Fyldning af trykkammeret ophører i det øjeblik, styreboringens nederste kant passerer underkanten af styrebøsningen, og afløses af en trykstigning i trykkammeret med brændstoflevering gennem trykventilen og rør til indsprøjtningsdysen. Brændstofleveringen ophører, når styrekanten åbner for afstyringsboringen i styrebøsningen, der står i forbindelse med sugekammeret. Brændstofmængden bestemmes af pumpestemplets effektive slaglængde, der kan ændres ved drejning af pumpestemplerne gennem en fælles reguleringsaksel, der styres af et elektromagnetisk stillesystem. 1 Højtryksrum 2 Pumpecylinder 3 Styrebøsning 4 Afstyreboring 5 Styrekant 6 Styreboring 7 Sugerum 8 Pumpestempel (h = effektiv slaglængde) Pumpeelement A Levering af brændstof B Levering slut Ændring af tidspunkt for brændstoflevering En ændring af tidspunktet for brændstoflevering er ensbetydende med ændring af indsprøjtningstidspunktet. Denne ændring sker ved at forstille styrebøsningen i forhold til pumpestemplets nederste dødpunkt. En forstilling af styrebøsningen nærmere øverste dødpunkt betyder en længere vandring af pumpestemplet, før styreboringen lukkes, og dermed senere brændstoflevering. I modsat retning nærmere nederste dødpunkt vil pumpestemplets kortere vandring, før styreboringen lukkes, betyde tidligere brændstoflevering og dermed tidligere indsprøjtningsbegyndelse. Ved passende udformning af knasten på indsprøjtningspumpens knastaksel vil pumpestemplets nytteslag være ensartet, uanset starttidspunktet for levering af brændstof. Knastløft, styrebøsningens stilling og indsprøjtningsbegyndelse Nytteløft på pumpestemplet: h 1 ved øverste stilling h 2 ved nederste stilling f 1 = indsprøjtning tidlig f 2 =indsprøjtning sen φ 249