GSX-R web - vstřikování

Historie
U automobilů byl kvůli jejich většímu počtu dřívější nástup vstřikování a to převážně z důvodu snížení emisí. Tehdejší karburátory se zdokonalovaly na hranici svých možností pomocí elektronických systémů a postupně se vytrácel smysl karburátoru jakožto levného prostředku pro tvorbu směsi. U vozů vyšší třídy nastoupily první systémy vstřikování v 70. letech a postupně docházelo k nárůstu vlivu elektroniky. U motocyklů se začlo vstřikování sériově používat v 2.polovině 90.let ikdyž první vlaštovky se objevily již v roce 1980-Kawasaki Z1000-H1. Zpočátku to byly supersportovní stroje, postupem času se víc a víc dostává do dalších typů motocyklů.

Proč
Většina mechanických systémů přináší problém s regulací a pokud motor využíváme v různých režimech je nutné měnit jeho vstupní veličiny. Jako první ústup od mechaniky byl přechodem na elektronické zapalovací systémy přinášející mnoho výhod oproti dřívějším kladívkovým. Další změnou je přechod na elektronické vstřikování paliva. První vstřikovací systémy byly mechanické, ale to se motocyklů nijak moc netýká. (do budoucna počítám s elektromagnetickým ovládáním ventilů, huráá)
Výhody vstřikování použitého u dnešních motorů jsou především:
» lepší promísení paliva
» lepší reakce na změnu otevření klapky
» vypnutí paliva při brzdění motorem
» nižší spotřeba paliva
» větší kroutící moment a lepší průběh
» snadnější spouštění motoru

Popis
Vstřikovací systém se skládá z tlakového čerpadla, které dodává palivo pod tlakem ke vstřikovačům (injectorům). Podle umístění vstřikovače rozlišuje SPI (Single Point Injection) - jednobodové vstřikování, které se u motocyklů nepoužívá jelikož by to byl krok zpět (SPI má srovnatelné výsledky s karburátory pro každý válec jeden). SPI má jeden vstřikovač umístěn v sacím potrubí pro všechny válce motoru. Vzhledem k neaktuálnosti se tímto systémem nebudeme zabývat. Systém MPI (Multi Point Injection) představuje vícebodové vstřikování, kdy máme použit jeden vstřikovač pro každý válec. Dále umístění vstřikovače rozlišuje zda se jedná o vstřikování přímé či nepřímé. Přímé vstřikování se začíná objevovat u automobilů. Vstřikovač je umístěn přímo do spalovacího prostoru a jsou kladeny vyšší nároky na čerpadlo (tlak cca 10 MPa=100 barů!!). U motocyklů je v současné době (23.10.2005 17:41) použito nepřímého vstřikování, kdy paprsek paliva je vstřiknut do sacího kanálu (tlak čerpadla cca 4bary).

Vstřikovač udává množství paliva pouze dobou vstřiku, která je určena řídící jednotkou (ECU-Electronic Control Unit) na základě měřených veličin:
» otáčky motoru (CKPS-CrankShaft Position Sensor)
» poloha vačky (CMPS-CaMshaft Position Sensor)
» poloha škrtící klapky (TPS-Throttle Position Sensor)
» tlak v sacím potrubí (IAPS-Intake Air Pressure Sensor nebo MAP-Manifold Air Pressure)
» tlak v airboxu (APS-Atmospheric Pressure Sensor)
» teplota nasávaného vzduchu (IATS-Intake Air Temperature Sensor)
» teplota motoru (ECTS-Engine Coolant Temperature Sensor)
» napětí baterie
» rychlostní stupeň (GPS-Gear Position Switch)
» případně další (např. Lambda sonda)

FI z VTR 100 SP1

Měřené veličiny na vstupní straně motoru porovnává ECU s uloženými údaji a dle nich počítá dobu vstřiku. Tento způsob vstřikování se nazývá "bez zpětné vazby", tzn. řídící jednotka nemá informaci o skutečném průběhu spálení připravené směsi. Při nízkém zatížení hraje hlavní roli pro výpočet doby vstřiku snímač polohy klikového hřídele (otáčky motoru) a podtlak v sacím kanále (IAPS neboli MAP). Při vysokém zatížení rozhoduje informace o otáčkách motoru a natočení škrtící klapky (TPS). Tyto tři vstupy jsou hlavními činiteli pro výpočet doby vstřiku. Ostatní senzory jsou pouze korekční (dolaďovací). Systém se zpětnou vazbou využívá měření složení spálené směsi pomocí Lambda sondy (O₂ sensor). Pokud motor obsahuje tento senzor ve výfukovém potrubí dokáže ECU korigovat další dávku vstřiku na základě vyhodnocení informace o přebytku vzduchu. Lambda regulace je nutná v případě použití katalyzátoru, protože ten vyžaduje úzké rozmězí složení směsi blízké λ=1.

Dle průběhu vstřiku rozlišujeme tři základní typy:
» continuální
» skupinové
» sekvenční

způsoby vstřikování paliva

Ve schématu jsou zakresleny tři způsoby vstřikování paliva. Modrý obdelník vyznačuje dobu (úhel) otevření sacího ventilu, oranžový obdelník dobu vstřiku. Vyznačen je i okamžik zážehu.
První ze způsobů je continuální neboli simultání vstřikování paliva, kdy dochází ke vstřiku každou otáčku u všech vstřikovačů současně a jedná se o zastaralý systém využit u dřívějších mechanických vstřikovacích systémů. Nebyl rozpoznán pracovní cyklus válce pomocí snímače vačkové hřídele.
U seskupení vstřikovačů do dvojic se jedná u vstřikování skupinové. Perioda vstřiku je 720° (tj. jednou za pracovní cyklus válce). Každých 360° se aktivuje jedna skupina. Tento druh vstřikování je použit při startu motoru se sekvenčním vstřikováním. Při druhé otáčce motoru se již synchronizuje vstřikování pomocí snímače vačky (CMPS) a přechází se na sekvenční.
Sekvenční vstřikování se nejvíce blíží ideálu. Ke vstřiku dochází u každého válce zvlášť a to jednou za 2 otáčky před otevřením sacího ventilu. Zde je nutná inforamce o poloze vačkové hřídele z čehož lze poznat pracovní cyklus válce.
Závěrem: dnešní motocykly používají vícebodové, sekvenční, nepřímé vstřikování paliva s elektronickým měřením množství vzduchu.

Jednotlivé části
Schématické zapojení vstřikovacího systému na GSX1400

Čerpadlo je nejčastěji umístěno přímo v palivové nádrži z důvodu dobrého chlazení během provozu. Jedná se o odstředivé čerpadlo, u dřívějších systémů bylo použito objemových čerpadel velmi podobných jako jsou dnešní čerpadla olejová. Výhodou jsou relativně malé až nulové pulzace tlaku a velikost tlaku vyhovuje nepřímému vstřikování. čerpadlo je schopno dávat tlak až 600kPa. Pohon oběžného kola je pomocí stejnosměrného elektromotoru se statorem z permanentního magnetu. Systém je doplněn regulátorem tlaku, který hlídá tlak paliva na hodnotě 300kPa (3bary). Jedná se o stejný princip jako regulátor tlaku oleje v mazacím systému.

čerpadlo vstřikování GSX-R 1300

Řídící jednotka (ECU, ECM) je "mozkem" celého systému. Skládá se z CPU (procesoru), paměti ROM a vstupně/výstupních členů. Dále obsahuje RAM paměť pro ukládání závad případně pro odkládání adaptačních výpočtů u regulace se zpětnou vazbou. Doba vstřiku je určena dvěmi hlavními vstupy a to otáčkami motoru + podtlakem v sacím hrdle případně polohou škrtící kapky (viz výše). Toto vychází z přednastavených hodnot v palivové mapě uložené v ROM. ECU řídí zapalovací cívky a současně i vstřikovače (její velikost je cca 2× větší než běžných řídících jednotek zapalování - např TL cca 14×10cm). Při odpojování je nutné mít vypnuté zapalování a z důvodu možného výskytu statické elektřiny nesahat na vývody.

Řídící jednotka počítá dobu vstřiku na základě palivových map uložených v paměti. Zde je uveden příklad z GSX-R 1300. Jak již bylo uvedeno výše hlavními parametry pro výpočet jsou otáčky plus podtlak v sání (pro nízké zatížení) nebo poloha škrtící klapky (pro vysoké zatížení). Z důvodů tepelné diference mezi krajními a vnitřními válci jsou mapy odlišné pro válce "1 a 4" a pro "2 a 3".

palivová mapa GSX-R 1300

Vstřikovač: jedná se o elektromagnetický ventil umístěný v sacím potrubí motocyklu. Běžně je použit jeden vstřikovač pro každý válec. U nových sportovních motocyklů jsou použity pro každý válec dva vstřikovače pro zlepšení průběhu točivého momentu. V nízkých otáčkách je aktivní blížší a ve vysokých se využívá vzdálenější vstřikovač umístěný v airboxu (např. systém Honda PGM DSFI). Do ventilu je přiváděn tlakově benzín (s konstantním tlakem) přes filtr paliva a jeho výstup je zamezen jehlou s pružinou. Po přivedení napětí na cívku vstřikovače se jehla vytáhne ze sedla a uvolní se vstup paliva do trysky, kterou se palivo vstříkne do sání. Tvar trysky je přizpůsoben co nejlepšímu rozprášení paliva (nové trysky mají až 8 otvorů). Rozlišujeme dva základní typy vstřikovačů dle připojení paliva. Jedny mají horní plnění (jsou vidět častěji) a jsou označovány jako "top-feed", druhé mají dolní plnění palivem pod názvem "bottom-feed". Objem paliva je určen pouze dobou vstřiku a určuje ji ECU. Zdvih (otevření) jehly ve vstřikovači je vždy konstantní a to naplno. Ovládání je 12V a délka impulsu určuje přímo dobu vstřiku.

top-feed injector z GSXR1000

Sensory - elektrická podstata funkčnosti snímačů je popsána v článku elektro
(údaje označeny hvězdičkou jsou pro GSX 1400 )

Poloha klikového hřídele udává ECU v jaké pozici se nachází píst avšak není schopen určit pracovní fázi motoru jelikož v HÚ může u 4T motoru být konec komprese nebo konec výfuku. Snímač se nejčastěji používá indukční, kdy se jedná o malou cívku s odporem cca 100-200Ohm ve které se při proběhnutí výběžku na rotoru klikového hřídele indukuje napětí cca 0,7V, které vyhodnotí ECU. Stejný snímač se používá už od konce 70.let pro zapalování. Při použití vstřikování je použita jedna řídící jednotka pro zapalování i vstřikování a tudíž i jeden snímač CKPS. Méně často se používá snímač Hallův (polovodičový). [* chybový kód c12, odpor 134-202 Ohm mezi vývody, nekonečný odpor vůči kostře, induk. napětí 2,7V.]
Poloha vačkového hřídele je již schopna určit pracovní cyklus motoru, který je nutný pro sekvenční vstřikování. Snímač je umístěn ve víku ventilů nebo v hlavě válců. Typ indukční nebo Hallův. [* chybový kód c11, při zapnutí zapalování napětí nad 3,7V]
Poloha škrtící klapky určuje zatížení motoru a je hlavním vstupem pro výpočet doby vstřiku ve vysokém zatížení motoru. Při akceleraci (rychlost změny polohy) je zvýšena doba vstřiku, při deceleraci je snížena. Nachází se na hřídeli škrtících klapek a jedná se o potenciometr. Napětí z baterie je přivedeno na dráhu snímače a měřeným bodem je jezdec vůči jednomu ze vstupů. Otáčením klapek se napětí lineárně zvyšuje. [* chybový kód c14, odpor snímače je 4,3kOhm, při poruše nastaví ECU hodnotu "plně otevřená klapka-WOT (WideOpenThrottle)", chybový kód c29 pro snímač sekundárních klapek] pozn. při odpojení TPS na TL 1000S motor jel pouze do cca 5000 a pak skokovitě "umřel".
Tlak v sacím potrubí je jedna ze dvou řídících veličin pro nízko zatížený motor. Snímač je umístěn blízko sacích hrdel a propojen se všemi sacími kanály najednou gumovou hadicí. Při zvyšování tlaku se zvyšuje napětí vystupující ze snímače. [* chybový kód c13, v případě poruchy nastavena hodnota na 760mmHg=1013hPa, vstupní napětí je 4,5-5,5V]
Atmosférický tlak je měřen v airboxu nebo na volném místě na motocyklu (např. pod sedlem) a je to jedna z kompenzací pro dobu vstřiku. Při snížení tlaku (např. vyšší nadmořská výška) se sníží i objem vstřiku. [* chybový kód c22, v případě poruchy nastavena hodnota na 760mmHg=1013hPa, vstupní napětí je 4,5-5,5V]
Teplota nasávaného vzduchu je kompenzační měření na základě teploty vzduchu. Zvýšení teploty sníží hustotu vzduchu čímž do daného objemu dostaneme menší množství vzduchu (kyslíku) a je nutné snížit dodávku paliva. Jedná se o termistor s nelineárním průběhem odporu v závislosti na teplotě. [* chybový kód c21, nastaveno na 40°C v případě poruchy]
Teplota motoru určuje kompenzaci s ohledem na zahřátí motoru. Při nízké teplotě je zvyšena dodávka paliva (sytič). Termistor jako v předchozím případě. [* chybový kód c15, nastaveno na 80°C v případě poruchy; 61,3kOhm při 20°C; 2,5kOhm při 110°C]
TipOver Sensor neboli Bank Angle Sensor určuje na základě náklonu polohu motocyklu. Při náklonu větším jak 40°-60° (záleží na výrobci co dovolí za náklony:-) je odpojen systém vstřikování - vyhodnoceno jako havárie motocyklu. Jedná se o mechanické náklanové čidlo (2 vývody), v některých případech Hallův snímač (3 vývody). Umístěno zpravidla v blízkosti sedla na rámu. [* chybový kód c23]
Lambda sonda je použita pro zpětnou vazbu systému a není obsažena ve všech FI systémech. Výhodou je přizpůsobení tvorby paliva na opotřebení motoru. U motorů vybavených katalyzátorem je nutností pro udržení směsi v úzkém rozmezí kolem stechiometrickému poměru (ideál λ=1)

Podklady převážně čerpány z "Motorcycle Fuel Systems, John Robinson, Haynes, rok 2000" a "Electrical Techbook, Tony Tranter, Haynes, rok 1998"

autor: GSX-Roll