E X A M E N S A R B E T E
Framtagning av provrigg till bränslesystem HPI
Mats Goldberg Jens Johansson
Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet
Maskinteknik
Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Datorstödd maskinkonstruktion
2009:017 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--09/017--SE
I
Sammanfattning
Detta examensarbete är genomfört på Scania CV AB i Södertälje, på deras motorutveckling och avdelningen för insprutningsprestanda. Scania är ett internationellt företag med verksamhet i Europa, Latinamerika, Asien, Afrika och Australien. Scania är idag världens tredje största tillverkare av tunga lastbilar och stora bussar.
För att säkerställa kvalitet och prestanda för insprutningssystemet genomför avdelningen för insprutningsprestanda både simuleringar och tester på insprutningssystemens ingående komponenter. För en injektor finns det en hel del test som måste genomföras för att säkerställa dess prestanda och kvalitet. Innan examensarbetet påbörjats fanns det på Scania möjlighet att inspektera och testa en HPI-injektors ingående delar var för sig, detta genom olika flödesmätningar, okulärbesiktning av slitage på ingående delar mm. Utrustning för att testa en komplett injektor saknades dock.
Syftet med detta examensarbete var att konstruera och bygga en provrigg med tillhörande mätutrustning avsedd för att mäta avgiven mängd bränsle från kompletta HPI-injektorer i verksamheten på Scanias motorutveckling. Ett av kraven för riggen som togs fram var att den skulle kunna monteras i en befintlig testbänk som driver riggen och levererar smörjolja och bränsle. Arbetet har även inneburit test av riggens funktion samt förberedelse för automatisering av provningsförloppet.
Efter att riggen levererades till gruppen för insprutningsprestanda kan de på ett enkelt och exakt sätt övervaka kvalitén, utreda haverier samt testa prestandan för HPI-injektorer och därmed leva upp till sina högt ställda krav på kvalitet och tillförlitlighet. I riggen går det att testa flertalet konfigurationer med olika kamaxlar och olika varianter av HPI-injektorer.
Inledande mätningar visar på låg spridning och hög repeterbarhet i resultaten. Fler mätningar behövs för att fastställa noggrannheten och definiera ett användbart mätförlopp för löpande provning. För att effektivisera mätförloppet ska dessutom ett automatiskt styrsystem installeras som ska styra riggen samt mätutrustningen.
II
Abstract
This master thesis was performed at Scania CV AB in Södertälje at their engine development division, department of injection performance. Scania is a global company with operations in Europe, Latina America, Asia, Africa and Australia. Scania is the third largest manufacturer for heavy trucks and heavy bus segment in the world today.
To ensure quality and performance of the injection system the department of injection performance perform a number of tests and simulations on the different components of the injection system. For an injector there are a number of tests that have to be performed to ensure its quality and performance. At the start of this thesis Scania was only able to perform inspection and tests on the components of the HPI-injector separately. This was done by flow measurement tests, ocular inspection of wear on the components etc. However they lacked equipment to perform tests on an assembled injector.
The purpose of this master thesis was to design and assemble a test rig and associated measuring equipment to measure the amount of fuel delivered from a complete HPI-injector in the day to day operations of Scania's department for engine development. One of the requirements for the rig that was developed was that it should be able to be installed in an existing test bench, which operates the rig and supply lubricating oil and fuel. The work has also included testing of the rig’s performance and preparing for an automation of the test procedure.
After the rig was delivered to the department of injection performance, they can in a simple and accurate way monitor the quality, investigate problems and test the performance of HPI- injectors and thus live up to their high standards for quality and reliability. With the rig it is possible to test the majority of configurations with different camshafts and different models of HPI-injectors. Preliminary measurements show low spread and high repeatability of test results. However more measurements are needed to determine the accuracy of the tests and define a useful way to perform continuous tests. To streamline the testing procedure further an automatic control system will be installed to control the rig and measuring equipment.
III
Förord
Detta examensarbete utgör avslutningen på utbildningen till civilingenjör i maskinteknik med inriktning maskinkonstruktion vid Luleå tekniska universitet. Det omfattar 30 hp och har utförts på Scania CV AB i Södertälje under höstterminen 2008.
Syftet med examensarbetet var att konstruera och bygga en provrigg för att testa dieselinjektorer i verksamheten på Scanias motorutveckling. Arbetet har också inneburit test av riggens funktion samt förberedelse för automatisering av provningsförloppet.
Vi vill tacka alla på Scania som hjälpt oss med kunskap och goda råd under arbetets gång.
Särskilt tack riktar vi till våra handledare Andreas Andersson och Hans Ericsson, liksom uppdragsgivare Anders Larsén. Vi tackar också vår handledare vid Luleå tekniska universitet, Stefan Sandberg och examinator Mats Näsström för ert stöd.
Södertälje 30 januari, 2009.
______________________ ______________________
Mats Goldberg Jens Johansson
IV
Nomenklatur/variabellista
PDE Pump düse einheit, tyska för pump och spridare i enhet.
Enhetsinsprutare tillverkad av Bosch.
HPI High Pressure Injection. Scania och Cummins enhetsinsprutare.
XPI Förkortning för Scanias och Cummins bränslesystem med common rail.
Montagebädd Yta på testbänken där PDE- och HPI-riggen monteras och ansluts till testutrustning.
Bänkolja Explosionssäkert bränslesubstitut för provmiljö med egenskaper som är mycket lika de för diesel.
ECU Electronic Control Unit, motorstyrenhet.
Normala driftsförhållanden Förhållanden som råder då en motor är i drift i en lastbil, buss, båt eller industriell applikation.
AVM Advanced Video Metering, system för att mäta
bränsleinsprutning, volymen för varje enskild injektion mäts.
Euro 3 (Euro 4, Euro 5) Emissionslagstiftning av tredje, fjärde och femte ordningen gällande i Europa.
Rpm Varv per minut.
Railbränsle Bränsle till insprutning och förbränning.
Timingbränsle Bränsle som sprutas in i injektorn för att styra insprutningstidpunkten.
Spillring Metallring som utvändigt tätar HPI-injektorns returkanal för timingbränsle tills ett visst tryck överstigs.
Synkning Förfarande vid uppstart av dieselmotor för att motorn ska få rätt fas.
V
Innehåll
1 INLEDNING ... 1
1.1 SCANIA CVAB ... 1
1.1.1 Kvalitet på Scania ... 2
1.2 UPPDRAGSBESKRIVNING ... 2
1.2.1 Bakgrund ... 2
1.2.2 Mål ... 2
1.2.3 Syfte ... 2
1.2.4 Tillvägagångssätt... 2
1.2.5 Avgränsningar ... 3
2 INSPRUTNINGSSYSTEM HPI ... 4
2.1 HPI ... 4
2.1.1 HPI-injektorn ... 4
2.1.2 Hela HPI-bränslesystemet ... 8
2.1.3 Jämförelse mellan PDE och HPI ... 10
3 PROVNING AV INJEKTORER ... 12
3.1 PROVNING I MOTORPROVCELL ... 12
3.2 PROVNING I INSPRUTNINGSRIGG... 12
3.2.1 Volumetrisk mätning av bränslemängd ... 12
3.2.2 Bränslevåg ... 13
4 KONSTRUKTIONSKRITERIER ... 14
4.1 ANVÄNDARVÄNLIGHET ... 14
4.2 ANPASSNING TILL BEFINTLIGT RIGGRUM ... 14
4.3 PRESTANDA FÖR TESTBÄNK ... 15
4.3.1 Försörjning av bänkolja ... 15
4.3.2 Försörjning av smörjolja ... 17
4.3.3 Kamaxeldrivning ... 17
4.4 KAMAXELNS POSITION OCH ROTATIONSHASTIGHET ... 18
4.5 BEHOV AV NYTT MÄTSYSTEM ... 18
5 KONSTRUKTION AV RIGG ... 19
5.1 MOTORBLOCK OCH FIXTUR ... 19
5.2 CYLINDERHUVUD, DRIVTÅG OCH KAMAXEL ... 21
5.3 BRÄNSLELIST, AKTUATORHUS ... 23
5.4 DRIVNING KAMAXEL ... 24
5.5 VARVTALSGIVARE OCH TANDHJUL ... 25
6 KONSTRUKTION BRÄNSLEVÅG ... 27
7 MOTORSTYRSYSTEM ... 29
7.1 MOTORSTYRSYSTEMETS FUNKTION ... 29
7.2 MOTORSTYRSYSTEMET TILL RIGGEN ... 29
8 RIGGSTYRSYSTEM ... 31
9 FUNKTIONSKONTROLL AV HPI-RIGG OCH BRÄNSLEVÅG ... 33
9.1 FUNKTIONSTEST AV BRÄNSLEVÅG ... 33
9.2 INSTALLATION OCH PROVKÖRNING AV HPI-RIGG ... 35
9.2.1 Mätning repeterbarhet mellan i och ur montering av injektor ... 36
9.2.2 Placeringens påverkan på avgiven bränslemängd ... 36
9.2.3 Riggens variationer med temperatur ... 37
VI
10 DISKUSSION OCH SLUTSATSER ... 40
10.1 ARBETSMETOD ... 40
10.2 RESULTAT ... 40
10.3 MÄTNOGGRANNHET ... 41
10.4 REKOMMENDATIONER TILL FORTSATT ARBETE ... 41
REFERENSER ... 43
BILAGOR ... 44
1
1 Inledning
I detta inledande kapitel ges en kort beskrivning av företaget Scania CV AB. Det följs av en uppdragsbeskrivning för examensarbetet med bakgrund, mål och syfte.
1.1 Scania CV AB
1891 gick startskottet för det som idag är Scania CV AB. Då startades Vagnfabriksaktiebolaget i Södertälje, Vabis, för att tillverka järnvägsvagnar. Snart började företaget också med utveckling och tillverkning av last- och personbilar. 1900 bildades Maskinfabriksaktiebolaget Scania. Verksamheten bestod till en början av cykeltillverkning men snart började även här tillverkning av last- och personbilar. 1911 gick de två företagen samman och Scania-Vabis bildades och verksamheten fokuserades mot tillverkning av lastbilar, personbilar och bussar. Mellan 1969 och 1995 var Scania sammanslaget med Saab.
Från och med 1995 är Scania åter ett självständigt bolag och från 1996 också börsnoterat.
1957 startades produktionen av lastbilar i Brasilien och 1965 invigdes fabriken i Zwolle i Holland. Scania CV AB har idag drygt 35 000 anställda på sina produktionsenheter i Europa och Sydamerika (Se figur 1.1). Av dessa jobbar 2 400 med forskning och utveckling som är koncentrerat till Södertälje.
Figur 1.1. Scanias produktionsenheter.
2007 hade Scania CV AB en omsättning på över 84 miljarder SEK. Företaget levererade 68 654 lastbilar, 7 224 bussar och 7 228 industri- och marinmotorer.
2 1.1.1 Kvalitet på Scania
Scania är det ledande varumärket i sin bransch. Det är ett resultat av att ständigt arbeta med att överträffa sina kunders förväntningar och sätta kvaliteten i första rummet. Det är inte tillräckligt att arbeta med kvalitet innan en artikel går i produktion. Efter lansering följs artikeln i produktionen och i sin tillämpning på fältet, d v s i lastbilar, bussar och motorer som går på vägar och vatten. Det görs genom stickprovskontroller på nyproducerade produkter, långtidstester och genom återkoppling av kvalitetsbrister från fältet. Ett syfte är att förbättra produkterna genom att t ex öka prestandan, minska vikten och göra dem lättare och billigare att tillverka. Ett annat är att rätta till fel eller problem som trots allt slipper igenom. Det kan röra sig om kvalitetsbrister relaterade till bearbetning eller montering såväl som felande konstruktionslösningar. Med hjälp av simulering och tester säkerställs funktionen hos nya produkter innan de tas i produktion. Det förebygger barnsjukdomar och problem som kan uppstå på produktionsenheterna i samband med lansering.
1.2 Uppdragsbeskrivning
1.2.1 Bakgrund
För att säkerställa kvalitet och prestanda för insprutningssystemet genomför avdelningen för insprutningsprestanda både simuleringar och tester på insprutningssystemens ingående komponenter. För en injektor finns det en hel del tester som måste genomföras för att säkerställa dess prestanda och kvalitet. I dagsläget finns det på Scania möjlighet att inspektera en injektors ingående delar var för sig, detta genom olika flödesmätningar, okulärbesiktning av slitage på ingående delar mm.
För Scanias PDE- och XPI-insprutningssystem finns det även riggar för att testa kompletta injektorer, vilket saknas för HPI. Detta examensarbete omfattar modifiering av en befintlig provrigg för PDE-injektorer till att också passa för HPI-injektorer, även ett mätsystem för att mäta avgiven bränslemängd ska tas fram.
1.2.2 Mål
Målet är att efter examensarbetes slut överlämna en rigg som är färdig att användas. Den ska vara provkörd och dess funktion ska vara bekräftad.
1.2.3 Syfte
Genom att förse gruppen för insprutningsprestanda med en provrigg till HPI-injektorer kan de övervaka kvalité och prestanda på injektorer från tillverkaren. Riggen är även nödvändig för att utreda haverier och åtgärda kvalitetsbrister och därmed leva upp till sina kunders högt ställda krav på kvalitet och tillförlitlighet.
1.2.4 Tillvägagångssätt
Arbetet är indelat i följande fyra faser där en fas inte påbörjas förrän föregående är avslutad.
1. Litteraturstudie i HPI och kartläggning av riggprestanda och –behov.
2. Konstruktion, beställning och montering av mekaniska komponenter till rigg och mätutrustning.
3. Anpassning av elektroniskt styrsystem till rigg och motorstyrenhet.
4. Testkörning och verifiering av riggens funktion.
3
Arbetsmoment tenderar att ta längre tid än planerat pga. händelser som kan vara svåra att förutse. Indelningen i faser medger en viss flexibilitet att anpassa omfattningen av senare delen av projektet. På så sätt säkerställs att det arbete som påbörjas också slutförs.
1.2.5 Avgränsningar
HPI-riggen ska hanteras i samma rum som PDE-riggen och det ska gå att skifta mellan dem.
Det innebär att HPI-riggen ska drivas av samma testbänk och kunna lyftas med traversen i riggrummet.
Kamaxlarna varierar motormodeller emellan. Det beror bl. a på olika effektuttag ur motorerna och att emissionskraven skiljer sig åt mellan olika marknader. För att utesluta felkällor bör injektorer provas med den kamprofil som de gått med i test eller på fältet. I detta examensarbete begränsas omfattningen till att en kamaxel ska anpassas till HPI-riggen, kamaxeln till motorerna DT 1212 och DT 1217, för de har störst försäljningsvolym.
Till riggen behövs ett modifierat motorstyrsystem och programvara som styr provprocessen och samlar in mätdata. Det här är ett examensarbete i maskinkonstruktion och kompetensen att programmera den mjukvara som behövs finns inte bland examensarbetarna. Av den anledningen begränsas arbetet inom ramen för examensarbetet till att förstå och ställa krav på funktionerna hos styrsystem och programvara. Arbetet med att ta fram mjukvarorna kommer i möjlig mån att utföras av lämpliga avdelningar på Scania så att de är klara att användas när riggen är monterad.
4
2 Insprutningssystem HPI
I detta kapitel ges en beskrivning av insprutningssystemet HPI och en jämförelse görs med PDE-systemet.
2.1 HPI
Scania var på 80-talet beroende av Bosch som enda leverantör av insprutningssystem, dessutom började röster höjas för att minska utsläppen från transportsektorn. Ett projekt lanserades för att finna en alternativ leverantör av insprutningssystem. 1988 påbörjades ett samarbete med Cummins som 2001 resulterade i lanseringen av DT 1202, den första raka sexcylindriga motorn med HPI bränslesystem.
Sedan dess har fler motormodeller med HPI tillkommit. Scania använder HPI endast till sexcylindriga motorer och på sexcylindriga motorer för europamarknaderna är HPI det helt dominerande bränslesystemet. På fem- och åttacylindriga motorer sitter mestadels Boschs PDE-system. Det förekommer även motorer med XPI, ett nyare common rail system som än så länge produceras i mindre utsträckning. Sedan starten 2001 har 150 000 fordon med HPI- motorer levererats. Det finns alltså en stor flotta med rullande fordon och det tillkommer dessutom närmare 40 000 under 2008.
Det här kapitlet ämnar förklara bränslesystemets funktion för vidare förståelse av problematik och frågeställningar kring konstruktion, tillverkning och installation av HPI-rigg och bränslevåg. Till att börja med kommer en närmare titt på injektorn och dess funktion för att sedan vidga perspektivet till att omfatta hela bränslesystemet.
2.1.1 HPI-injektorn
Injektorn drivs av motorns kamaxel. Kraft överförs via en rullyftare, en stötstång och en vipparm från kamaxeln till injektorn, se figur 2.1. Bränsle sprutas in i cylindern med tryck från en hydromekanisk länk av tre kolvar och två bränsledepåer i injektorn. Till den ena depån går timingbränsle, som styr tidpunkten för insprutningen. Till den andra depån går railbränsle som sprutas in och förbränns i cylindern. Variablerna insprutningstidpunkt och mängd railbränsle kallas även alfa respektive delta. Alfa och delta beräknas av ECUn och beror främst på varvtal och gaspådrag.
5
Figur 2.1. HPI-injektor med drivtåg.
Nedan följer en serie bilder med bildtext som förklarar injektorns beteende under en hel insprutningscykel. Diagrammen till höger förtydligar kamaxelns och de tre kolvarnas olika lägen i de sju olika stegen.
Figur 2.2. Insprutningsförlopp steg 1.
HPI-injektorn är av typen öppen spridare. Det innebär att förbränningsrummet i cylindern står i direkt förbindelse med bränsledepån för railbränsle i injektorn och att spridaren är öppen
Timing- bränsle
Rail- bränsle
Kamaxel
Rullyftare Vipparm
Injektor
Stötstång
Övre kolv
Timingkolv
Nedre kolv
6
under tiden injektorn fylls med bränsle. Innan insprutningsförfarandet börjar är därför injektorn stängd för att förhindra förbränningsgaser att tränga upp i injektorn. Injektorn trycks ihop av kamaxeln och drivtåget så att den nedre kolven sluter tätt mot spridaren.
Figur 2.3. Insprutningsförlopp steg 2.
När rullyftaren går ner från nocken på kamaxeln återgår de tre kolvarna tillsammans tills den nedersta kolven når sitt mekaniska stopp i sitt översta läge. Injektorn är nu delvis öppen och detta är början på fönstret för påfyllning av railbränsle. De två övre kolvarna fortsätter uppåt.
Figur 2.4. Insprutningsförlopp steg 3.
När rullyftaren är på kamaxelns inre bascirkel är injektorn maximalt öppen. En puls från railaktuatorn har nått injektorn som fylls med railbränsle tills pulsen slutar. I detta läge är också kanalen för påfyllning av timingbränsle öppen.
7
Figur 2.5. Insprutningsförlopp steg 4.
Fortfarande i sitt översta läge når pulsen från timingaktuatorn injektorn. Den övre bränsledepån fylls med bränsle och den mellersta kolven, timingkolven, trycks neråt av bränslet så länge pulsen från timingaktuatorn varar.
Figur 2.6. Insprutningsförlopp steg 5.
När rullyftaren börjar klättra upp på kamaxelns nock trycks den övre kolven neråt. Den stänger till kanalen för påfyllning av timingbränsle och det är viktigt att pulsen från aktuatorn upphör innan kanalen stängs. När den översta kolven når tillräckligt långt ner uppstår en solid hydromekanisk länk och de tre kolvarna trycks neråt tillsammans. Nu stängs också fönstret för påfyllning av railbränsle.
8
Figur 2.7. Insprutningsförlopp steg 6.
När nedre kolven närmar sig spridaren sprutas railbränslet in i cylindern. När den når sitt säte i spridaren och insprutningen avslutats pressas timingbränsle tillbaka till tanken via returkanalen. Kraft från spillringen ser till att timingbränslet inte går i retur förrän nedre kolven nått sitt säte.
Figur 2.8. Insprutningsförlopp steg 7.
När insprutningen är avslutad är injektorn åter igen mekaniskt hoptryckt tills nästa insprutningscykel börjar. Fönstrena för påfyllning av rail- och timingbränsle är stängda vilket möjliggör för andra injektorer att få bränsle.
2.1.2 Hela HPI-bränslesystemet
HPI-systemet är uppdelat i två injektorbankar, injektorerna till cylinder 1-3 utgör den främre banken och cylinder 4-6 den bakre banken. Injektorerna på en bank delar aktuatorer, dvs. en rail- och en timingaktuator förser tre injektorer med rail- och timingbränsle. Aktuatorerna är i själva verket solenoidventiler som öppnar då de får en elektrisk puls. Pulsen kommer från motorns styrenhet, också kallad ECU. Aktuatorerna förblir öppna så länge pulsen varar och genom att reglera längden på pulsen kontrolleras mängderna rail- och timingbränsle och i förlängningen insprutningstidpunkt och bränslemängd. Ju mer timingbränsle som sprutas in desto tidigare insprutning och ju mer railbränsle desto högre vridmoment ger motorn.
9
Figur 2.9. HPI-bränslesystem.
I en HPI-motor pumpas bränsle från tanken genom ett bränslefilter och en avstängningsventil innan det når aktuatorhuset. Avstängningsventilen stryper tillförseln av bränsle när tändningen slås av och vid övervarv eller andra systemfel.
På aktuatorhuset sitter de fyra aktuatorerna, en timing- (alfa-) och en railaktuator (deltaaktuator) till respektive cylinderbank. Bränslepumpens hastighet varierar med motorns varvtal och därmed varierar också flöde och tryck i aktuatorhuset. För att reglera trycket finns därför en tryckregulator. Den släpper tillbaka en del bränsle till pumpen för att hålla bränsletrycket innan aktuatorerna på 14,5 till 18 bar beroende på varvtal. Även temperaturen varierar. Därför finns en temperatur- och tryckgivare som informerar styrenheten om tryck- och temperaturvariationer och kompenserar längderna på pulserna till aktuatorerna därefter.
Fram till aktuatorhuset finns ett bränsleflöde. När bränslet passerat aktuatorerna och går in i bränslelisten är flödet uppdelat i fyra kanaler, en kanal för railbränsle och en för timingbränsle till respektive bank. På grund av tändföljden (1-5-3-6-2-4) och därigenom kampositionen för varje cylinder är endast en injektor i taget inom varje bank öppen och kan ta emot bränsle till timing och insprutning. Bränsleflödet i HPI-systemet visualiseras med flödesschemat nedan där gult symboliserar returflöden till tanken.
Bränslelist
Aktuatorhus
Bränslepump Bränslefilter
Aktuatorer
Avstängningsventil
Tryckregulator
10
Figur 2.10. Flödesschema för HPI-bränslesystem.
2.1.3 Jämförelse mellan PDE och HPI
Funktionen för en PDE-injektor är i princip samma som för HPI men en stor skillnad finns. I en PDE injektor sluts spridaren tät med en nål som trycks ned med fjäderkraft (se figur 2.11).
Den öppnar först under högt tryck då injektorns kolv, som likt HPI-injektorns drivs av kamaxeln, trycker ner bränsle under nålens huvud som då trycks upp. Det innebär att spridaren är stängd, förutom under tidpunkten för insprutning vilket kallas stängd spridare. En HPI-injektor är som sagt av typen öppen spridare.
Figur 2.11. PDE-injektor med drivtåg.
11
Förutom skillnader i funktion finns skillnader i geometri mellan injektortyperna.
Kamprofilerna skiljer sig också åt, bl. a. tack vare den mekaniska hoptryckning som stänger HPI-injektorns öppna spridare och bränslekanaler i väntan på rätt takt. Av dessa två anledningar är kamaxlar och cylinderhuvuden olika för de två olika motortyperna, men de delar motorblock.
Som tidigare nämnts finns två bränsleflöden genom HPI-injektorer, ett för rail- och ett för timingbränsle. Cirka två tredjedelar av bränslet som injektorn förbrukar är timingbränsle.
PDE-injektorn har endast ett bränsleflöde, railbränsle till förbränning. Det innebär att bränsleflödet i en HPI-injektor är ungefär tre gånger så stort som i en PDE-injektor. Dessa skillnader är viktiga att ta hänsyn till vid konstruktion av en ny rigg. Betydelsen av skillnaderna förklaras i kapitel 4.
12
3 Provning av injektorer
Injektorer provas på olika sätt. Här beskrivs två sätt som principiellt skiljer sig åt, den ena metoden är med förbränning den andra utan.
3.1 Provning i motorprovcell
Ett av de system som testas i motorprovcell är insprutningssystemet. I cellen ansluts motorn till en tank som hela tiden vägs. Motorn tar bränsle från och returnerar spill- och timingbränsle till samma tank. På så sätt fås bränsleförbrukningen genom att mäta viktminskningen över tid. Man får då ett värde som direkt kan jämföras med specifikation för respektive injektortyp. Eftersom bränsleförbrukningen mäts över ett tidsintervall fås genom denna metod ett medelvärde som dessutom gäller för alla injektorer gemensamt i en motor.
Prestandan hos enstaka injektorer kan således inte provas med denna metod. En fördel är att injektorerna provas under normala driftsförhållanden med rätt temperatur och tryck i förbränningsrummet mm.
3.2 Provning i insprutningsrigg
I en insprutningsrigg provas injektorerna utan förbränning. En extern motor driver på vev- eller kamaxeln för att i förlängningen driva injektorerna. Under spridarna samlas insprutat bränsle för varje injektor upp och mängden mäts. Temperaturen vid dessa prov är ca 45°C, betydligt lägre än de 90°C som råder vid normal motordrift. Dessutom skiljer sig miljön under spridaren åt väsentligt då varken kolvrörelse eller förbränning förekommer. Av dessa skäl kan inte injektorernas prestanda direkt jämföras med specifikationer, de jämförs istället med mätresultat från referenssatser med nominella injektorer. En fördel är att varje injektor kan provas separat.
3.2.1 Volumetrisk mätning av bränslemängd
På den existerande trecylindriga PDE-riggen används ett mätsystem där volymen insprutad bränsle för varje injektion mäts. En kolv med 6 bars mottryck fylls med bränsle från en insprutning och kolvens vändläge räknas om till volym. Detta kräver ett tätt system fyllt av en inkompressibel vätska. Om luft eller någon annan kompressibel gas förekommer i systemet kommer den att komprimeras av insprutningspulsen från injektorn och volymen som mäts upp i mätkolven kommer inte med säkerhet att överensstämma med insprutad bränslemängd.
För injektorer med stängd spridare, exempelvis PDE, fungerar volumetrisk mätning bra.
Det går att avgöra både hur hög bränsleförbrukningen är och variationen mellan injektorer och enstaka insprutningar. Det finns utrustning som klarar av att mäta bränslemängd per slag för injektorer med öppna spridare, men den är dyr. Den används t.ex. i insprutningsriggen för insprutningssystemet XPI som fortfarande i hög grad vidareutvecklas. Ett alternativ är att väga mängden insprutat bränsle.
13 3.2.2 Bränslevåg
För injektorer med öppen spridare, t ex HPI-injektorer, krävs det en gasficka under injektorn för att inte bränsle ska sugas upp i spridaren och bromsa nedre kolvens återföring eller påverka mängden tillfört railbränsle. En cylinder är under normala driftförhållanden gasfylld varför detta inte är ett problem vid normal drift. I provmiljö kan en luftficka åstadkommas genom att tillföra tryckluft under injektorn, det medför ett flöde i bränslereturen bestående av luft blandat med bränsle. Genom att leda flödet från var och en av injektorerna till en våg kan de mätas separat och effekten av luftblandat bränsleflöde elimineras. Det ger ett mått av prestandan för varje injektor, men inte varje insprutningstillfälle.
En möjlighet att få ut mer resultat från en rigg med bränslevåg är att samtidigt mäta kraften injektorerna trycks ihop med. Det kan göras med t ex töjningsgivare på vipparmarna. Genom att jämföra kraftprofiler från varje insprutning fås då en bild över hur konsekvent en injektor är och om den i något skede avviker från en nominell referens.
14
4 Konstruktionskriterier
Under denna rubrik ryms den information och de krav som identifierats och senare legat till grund för konstruktionsarbetet.
Till underlag för kommande konstruktionsarbete undersöktes de krav och förväntningar som finns på riggen. Betydelsen av de skillnader som finns mellan insprutningssystemen beskrivna i föregående kapitel har studerats. Likaså har önskemål om bättre användarvänlighet och vilka provdata som önskas, tagits i beaktning. Det finns också en stor skillnad mellan en komplett motor och riggen vad gäller motorns fasning som har betydelse för riggkonstruktionen.
Utöver det är mycket av konstruktionen hämtad från den befintliga PDE-riggen, eftersom funktionen i stort är densamma.
4.1 Användarvänlighet
Av de artiklar som skiljer mellan en PDE- och en HPI-motor är, förutom bränslesystem och injektorer, kamaxel och cylinderhuvuden de som är av betydelse för riggen. För att undvika omfattande ombyggnation av riggen varje gång byte skall ske från PDE till HPI eller vice versa behövdes en helt ny rigg, utgående från ett nytt motorblock. Operatören behöver då bara lossa den rigg som står på testbänken, lyfta av den, lyfta på den andra riggen och spänna fast.
Riggtiden blir då ca 10 till 15 min att jämföras med att byta kamaxel, cylinderhuvuden och bränslesystem som tar över en timme. Denna uppskattning bygger på att kamaxeln inte behöver bytas vid omriggning, då så är fallet blir riggtiden ungefär det dubbla och tidsvinsten blir mindre. Dock besparas operatören från tunga arbetsmoment som lyft och skruvdragning i båda fallen.
För att ytterligare underlätta vid omriggning önskades snabbkopplingar till alla gas- och vätskekopplingar. Anslutningar för smörj- och bänkolja utformades så att samma slangar kan användas till båda riggarna.
4.2 Anpassning till befintligt riggrum
HPI-riggen har samma dimensioner som PDE-riggen. Det är för att den ska få plats på testbädden på den befintliga testbänken som står i riggrummet och för att vikten inte ska överstiga 250 kg så att det går att skifta mellan riggarna med traversen i riggrummet. Då motorblocket till PDE- och HPI-motorer är lika stora innebär det att HPI-riggen är trecylindrig som PDE-riggen. Det påverkar inte provningen att ha ett halvt motorblock istället för ett helt. Bränslesystemet är naturligt uppdelat i två separata delsystem med vardera tre cylindrar (se kapitel 2), främre och bakre cylinderbank, av vilka en används. Eftersom drivning från bänken kopplas direkt till kamaxeln används den bakre cylinderbanken, cylinder 4 – 6. Där finns normalt drivningen av kamaxeln från vevaxeln.
Det är viktigt att kamaxeln linjerar med testbänkens drivaxel. Det krävdes därför att riggen utformades så att de två axlarnas riktning sammanfaller, liksom deras position i normalplanet.
För att kompensera för de avvikelser som kan uppkomma vid tillverkning och montering skulle de två kopplas ihop med en axelkoppling som medger viss förskjutning och riktningsavvikelse mellan kam- och drivaxel.
15 4.3 Prestanda för testbänk
För att säkerställa att testbänken klarar av att driva HPI-riggen undersöktes dess kapacitet att förse riggen med bänkolja och driva injektorerna via kamaxeln.
4.3.1 Försörjning av bänkolja
Med anledning av att HPI-bränslesystemet använder mycket mer bränsle än PDE undersöktes testbänkens förmåga att leverera nödvändigt tryck och flöde till HPI-riggen. I annat fall behövs en extern bränslepump. Den testbänk som används är en Hartridge Automatisk AVM 20-8. Enligt specifikation har den en matarpump med en kapacitet av 11 l/min och ett tryckintervall från 0 till 30 bar. Den fungerar som så att önskat matartryck ställs in och bänken reglerar automatiskt flödet för att bibehålla konstant tryck. Då testbänken är 12 år gammal och sambandet mellan tryck och flöde inte framgår av specifikationen utvärderades testbänkens prestanda experimentellt.
Maximalt flöde mättes över det tryckspann (14,5 – 18 bar beroende på motorvarvtal) som normalt råder i insprutningssystemet under drift. För att säkerställa att testbänken har viss överkapacitet gjordes mätningar i intervallet 12 – 22 bar. Rör med innerdiameter 12 mm användes vid försöket, samma diameter som bränsleslangarna till riggen. Matartrycket ställdes på max, d v s 30 bar och en kran anslöts för att justera trycket.
Flöde bänkolja
10 11 12 13
0 4 8 12 16 20 24
Tryck (bar)
Flöde (l/min)
Figur 4.1. Testbänkens maximala flöde som funktion av tryck.
Med kranen helt öppen uppnåddes ett tryck på 2 bar, denna punkt togs med i undersökningen för att få en bättre bild över flödets förändring med ökat tryck. Flödet är över 11 l/min över hela mätintervallet (11,48 l/min vid 18 bar) men avtar något då trycket ökar. Minskningen är liten och antas bero på minskad verkningsgrad i pumpen vid högre tryck.
Följande mätvärden är hämtade från ett äldre kalibreringstest av en DT1202 (äldre HPI- motormodell med samma slagvolym men något högre bränsleåtgång än DT 1212 och DT 1217). Tabell 4.1 anger flöden i bränslesystemet vid fullast. Flöde från tank är detsamma som flödet av rail- och timingbränsle tillsammans.
16
Tabell 4.1. Bränsleflöde i HPI-system vid fullast.
Varvtal (rpm)
Flöde före aktuatorhus (l/min)
Flöde efter tryckregulator (l/min)
Flöde från tank (l/min)
Tryck i aktuatorhus (bar)
2400 28,57 21,23 7,34 19,88
2200 26,07 20,42 5,65 19,84
2000 23,75 18,75 5,00 19,57
1800 21,29 16,85 4,44 19,27
1600 18,83 15,09 3,74 19,00
1400 16,38 12,89 3,49 18,80
1200 13,91 10,85 3,06 18,54
1000 11,41 8,69 2,72 18,19
800 9,04 6,17 2,87 17,78
Beräkningar gjordes för erforderliga flöden i en trecylindrig rigg med motorlika förhållanden.
För att hålla normalt driftstryck i aktuatorhuset bör flödet genom (detsamma som efter) tryckregulatorn vara detsamma som vid kalibreringstestet. Flödet från tank är halva det för en hel motor, ty injektorerna är hälften så många och flödet före aktuatorhuset är summan av de två. Tabell 4.2 visar erforderliga flöden för en trecylindrig rigg.
Tabell 4.2. Erforderligt bränsleflöde i en trecylindrig HPI-rigg.
Varvtal (rpm)
Flöde före aktuatorhus (l/min)
Flöde efter tryckregulator (l/min)
Flöde från tank (l/min)
2400 24,90 21,23 3,67
2200 23,25 20,42 2,83
2000 21,25 18,75 2,50
1800 19,07 16,85 2,22
1600 16,96 15,09 1,87
1400 14,64 12,89 1,75
1200 12,38 10,85 1,53
1000 10,05 8,69 1,36
800 7,61 6,17 1,44
Av tabellen framgår att det flöde som testbänken levererar med råge överskrider den bränslemängd som förbrukas av injektorerna (flöde från tank). Vid varvtal från över ca 1100 rpm förmår inte matarpumpen att leverera det totala flödet (före aktuatorhus) till bränslesystemet. Kontentan av att använda testbänkens matarpump till riggen är att trycket i bränslesystemet vid varvtal över 1100 rpm kommer att vara 0-1,5 bar lägre än vid normal drift. Detta anses vara av underordnad betydelse då provmiljön i flera avseenden skiljer sig från normal driftsmiljö. Dessutom kommer provresultat att jämföras med referensvärden från samma provmiljö.
I det bränslesystem som monteras på motorerna idag är både tryck och flöde något lägre än på DT 1202. Det lägre trycket beror på att en annan tryckregulator används idag, trycket ökar
17
med varvtal som tidigare. För riggen innebär det att totalt flöde och tryck likt normala driftsförhållanden kan uppnås vid varvtal något högre än 1100 rpm.
Utifrån detta bedömdes testbänkens kapacitet vara tillräcklig och ingen extern bränslepump behövs.
4.3.2 Försörjning av smörjolja
PDE- och HPI-motorer har samma oljepump. Testbänken levererar olja till PDE-riggen och antogs därmed kunna leverera tillräckligt med olja också till HPI-riggen. Riggen kan därför anslutas till testbänkens oljesystem och ingen extern oljepump är nödvändig.
4.3.3 Kamaxeldrivning
För att säkerställa att testbänkens motor klarar av att driva HPI riggens kamaxel gjordes en studie av två rapporter som gjorts på Scania, m26_341 och ett dokument som beskriver en mätning av förbrukad effekt på de olika ingående delarna i en sexcylindrig PDE-motor (D12).
I m26_341 undersöktes vilket vridmoment som uppstår i kamaxel i en sexcylindrig PDE- motor (D12).
Figur 4.2 visar vilka vridmomentet som uppstår i kamaxeln under en cykel på 720 grader vid 1895 rpm där de största vridmomenten uppstår, man kan se att väldigt stora vridmoment uppstår när injektorerna pressas samman. Testbänken är dock utrustad med ett stort svänghjul vilket gör att det snarare är testbänkens effekt i förhållande till det genomsnittliga vridmomentet som är begränsande. Utdraget ur den andra rapporten visar att effekten som krävs är 3,9 kW för insprutningen och 0,7 kW för att driva kamaxeln, tillsammans alltså 4,6 kW. Dock har HPI ett större effektbehov eftersom HPI har ett högre insprutningstryck och är av typen stängd spridare. Testbänkens motor levererar 15 kW vilket ger en stor marginal och ansågs tillräcklig.
18
Figur 4.2. Vridmomenten som uppstår i kamaxeln vid 1895 rpm.
4.4 Kamaxelns position och rotationshastighet
På motorn sitter två givare som noterar svänghjulets position och rörelse. Det är med information från dessa givare som ECUn kan styra insprutningen. Riggen har inte något svänghjul. Det innebär att det behövs någon form av instrumentering för att känna av kamaxelläget. Då denna konstruktion inte kommer att vara identisk med motorns svänghjul kunde såväl givarna som mjukvaran i ECUn behöva modifieras.
4.5 Behov av nytt mätsystem
Testbänken som ska driva HPI-riggen är utrustad med en volumetrisk mätenhet. Som framgår i kapitel 3 är mätenheten inte kompatibel med HPI-riggen. Ett nytt mätsystem behövdes och diskussion fördes om antingen flödesmätare eller bränslevåg. Det senare valdes då den är billigare och de flesta komponenterna redan fanns tillgängliga på företaget. Dessutom anses det tillräckligt att kunna mäta genomsnittlig insprutad mängd från injektorerna.
På PDE-riggen justeras varvtalet manuellt från en PC och operatören startar ett mätförlopp för varje varvtal som ska mätas. För att effektivisera arbetet ska mätproceduren för HPI-riggen automatiseras. Det ska ske med hjälp av en programvara till PC som styr bränslevågens funktioner samt testbänkens motorvarvtal. Programvaran ska styra över ventiler som öppnar för den eller de cylindrar som ska mätas samt en pump som tömmer vågkärlet vid lämplig nivå. När provningen är startad ska programvaran samla in mätdata från de tre injektorerna vid lämpliga varvtal, avbryta mätningen för att tömma vågkärlet, och presentera resultatet visuellt. Den automatiserade mätningen innebär att operatören inte behöver passa riggen under den tid då mätning pågår och tid för andra arbetsuppgifter frigörs.
19
5 Konstruktion av rigg
Det här kapitlet beskriver processen där provriggens konstruktion och underlag till tillverkning framarbetades.
Utifrån de kriterier som finns beskrivna i föregående kapitel påbörjades arbetet med att ta fram konstruktionslösningar på detaljnivå till HPI-riggen. För att få en bra bild över riggens utförande och se att dess olika komponenter passade ihop gjordes en 3D-modell i Catia V5 med alla ingående delar. Utifrån 3D-modellen togs ritningar fram som lämnades till mekaniska verkstaden på Scania, tillsammans med motorblock, vevaxel, rullyftaraxel, bränslelist, aktuatorhus och täcklock för insugssidan för tillverkning och modifiering.
5.1 Motorblock och fixtur
Kritiskt för konstruktionen är att kamaxelns rotationsaxel sammanfaller med testbänkens utgående axel. Montagebäddens höjd är fixerad och därmed också avståndet upp till utgående axel. Detta avstånd blev dimensionerande för avståndet mellan kamaxeln och det modifierade blockets underkant. Cylinderhuvud fyra till sex ska sitta på blocket och drivtåget till injektorn likaså, därför bevarades insugssidan och toppen på blocket intakt. Blocket kapades förutom i underkant framför fjärde cylindern och på avgassidan (se figur 5.1). På det här sättet gjordes blocket lätthanterligt och vikten hölls nere för att riggen skulle kunna lyftas med traversen i riggrummet som har en maxkapacitet på 250 kg. Runt kamaxelns fram- och bakända bildar fixturen slutna rum. För att dränera dessa utrymmen från olja och förhindra dålig oljecirkulation och tryck mot den packbox som tätar runt kamaxelns utstick bak borrades ett hål i blockets främre vägg och ett i den bakre väggen. Oljekanalerna som leder till vevaxeln pluggades. Hål i blockets fram-, bak- och avgassida borrades för att fästa fixtur och täckplåtar.
Befintliga hål på baksidan utnyttjades, i övrigt borrades och gängades hål för M10-skruvar, som på PDE-riggen, med 20 mm gängdjup. Där godstjockleken inte medgav M10 användes M8 eller M6.
Figur 5.1. T.v: Helt motorblock. T.h: Motorblock för rigg.
Efter att blocket dimensionerats konstruerades en fixtur som har till uppgift att hålla blocket på plats på montagebädden. Fixturen består av fram- och bakgavel, bottenplatta och täckplåtar för avgassidan. Fixturdelarna skruvas fast i blocket och i varandra. Fixturdetaljerna är gjorda av konstruktionsstål och 10 mm tjocka förutom övre cylindertäckplåten och bottenplattan som
20
är 3 respektive 20 mm tjocka. För att täta mot oljeläckage mellan block och fixtur användes silikon.
Figur 5.2. Riggfixtur komplett.
I framgaveln finns förutom hål för infästning en försänkning (1 i figur 5.2) som ska ge 0,3 mm spel mellan kamaxel och gavel för att undvika friktion. I direkt anslutning finns också ett spår för att leda ner olja till tidigare nämnd oljedräneringskanal. Mitt på framgaveln finns ett gängat hål (2 i figur 5.2) avsett för en koppling till anslutning av smörjolja från testbänken.
Hålet ansluter till blockets kanal för motorolja och på så sätt utnyttjas blockets egna kanaler för smörjning av kamaxel och drivtåg till injektorerna. Runt oljeanslutningen användes en O- ring för tätning mellan fixtur och block pga. större läckagerisk. Oljan där har ett tryck på 2-3 bar, vilket är högre än i andra utrymmen där oljan står i kontakt med atmosfären och har tryck som densamma.
Bakom bakgaveln (5 i figur 5.2) sitter en platta som agerar fäste åt varvtalsgivare för styrenheten, (mer om det i kapitel 6) i den sitter en packbox som tätar runt kamaxelns bakre utstick. I bakplåten finns därför genomgående hål för kamaxeln och för förlängning av bakre oljedräneringskanalen.
Bottenplattan är konstruerad för att positionera och linjera riggens kamaxel med bänkens utgående axel. På montagebädden finns en längsgående nedsänkning 25,4 mm bred, på bottenplattans undersida finns motsvarande skena. Med en spelpassning om 0-0,1 mm linjeras riggen med bänken. I bottenplattan finns en nedåtgående trappa för smörjolja (6 i figur 5.2)
1
2
3
4
6 5
21
från cylinderrum sex till fyra. Därifrån rinner oljan via två returslangar (3 i figur 5.2) med diameter 12 mm tillbaka till testbänkens tank. Oljeflödet kommer att vara detsamma i HPI- riggen, därför bedömdes den befintliga slangdragningen vara tillräcklig. För att kunna använda befintliga spännblock för att spänna fast den nya riggen är bottenplattan lika bred som montagebädden. Av samma anledning monterades fästfixturer på kortändorna.
Fästfixturer finns till PDE-riggen men nya tillverkades för att ha två uppsättningar och därmed minska tiden för riggbyte.
För att stärka motorblockets förankring i bottenplattan skapades två små fästblock att fästa fram- och bakgavel i bottenplattan och ett för att fästa blocket i bottenplattan (4 i figur 5.2).
Motorblocket är på den nedre delen delat genom cylindrarna. De öppna cylindrarna har tätats med en nedre och övre täckplåt. I den nedre finns genomgående skruvhål för att fästas mot blocket och gängade hål för infästning mellan fram- och bakgavel. Det finns också två gängade hål till kopplingar för anslutning av oljereturerna. Den övre plåten är formad för att täta cylindersnitten helt med fyra skruvhål för montering. Se figur 5.3.
Figur 5.3. Motorblock och fixtur, visar täckplåtarna på avgassidan.
5.2 Cylinderhuvud, drivtåg och kamaxel
Original cylinderhuvuden används till riggen. Eftersom bränsle samlas upp i en kopp direkt under spridaren och cylinderhuvudet är ventilhålen igensvetsade med brickor nertill och undersidan av cylinderhuvudet är därefter planfräst för att få bra anliggningsyta mot bränslekoppen. Bränslekoppen är fastskruvad på cylinderhuvudets undersida (se figur 5.4) för att samla upp bränslet från spridaren. Bränslekoppen är en cylindrisk skål med två anslutningar, ett uttag för bränsle och ett inlopp för tryckluft för att säkerställa den nödvändiga luftfickan under spridaren. Rör till luft och bränsleretur går upp genom kylvattenkanalen på cylinderhuvudets avgassida.
22
Figur 5.4. Cylinderhuvud, t.v. original, t.h. för rigg med bränslekopp.
Drivningen till injektorn behölls intakt från originalutförande. Vipparm, stötstång och rullyftare är ordinarie motorartiklar. Ventilfunktionen saknas på riggen, därför är vipparmar och rullyftare till ventilerna utbytta mot distanser för att hålla injektorns vipparm och rullyftare på plats (se figur 5.5). Stötstängerna till ventilerna är borttagna. Drivtågen till två cylindrar delar rullyftaraxel, därför är rullyftaraxeln till cylinder tre och fyra kapad. Axeln har en genomgående oljekanal för smörjning av rullyftarna. Den svetsades igen i det kapade snittet för att olja inte ska läcka ut och sänka oljetrycket. Även täckkåpan för drivtågen till cylinder tre och fyra är kapad. Där har också tillkommit en gavel för att kåpan ska sluta tätt mot motorblocket (se figur 5.5).
Figur 5.5. Insugssidan på riggen med drivtåg och täckkåpa.
Distanser Kapad
kåpa
23
Kamaxeln som valdes är den variant som sitter original i de HPI-motorer som det sålts flest av. Den är kapad framför lagerläget mellan cylinder tre och fyra för att passa i riggen. Snittet är sedan svarvat för att minimera friktion och slitage mellan kamaxel och framgavel.
5.3 Bränslelist, aktuatorhus
Aktuatorhuset som sitter på HPI-motorer är, som tidigare nämnts, uppdelat i två injektorbankar, vardera banken har egna aktuatorer och dämpare (Se kapitel 2.1.2) (se figur 5.6). Det som är gemensamt för de två bankarna är kanalen för bränsle in och kanalen för bränsle ut, även regulatorhuset som har till uppgift att reglera bränsletrycket i aktuatorhuset är gemensamt. För att aktuatorhuset inte skulle bli längre än blocket och sticka ut blev bästa lösningen att kapa huset nära mitten så att bara banken till cylinder 4-6 återstår (se figur 5.7) och sedan flytta upp regulatorhuset från den bortkapade delen till aktuatorhusets ena gaveln (se figur 5.7). Detta gav ett linjeringsfel mellan kanalen för bränsle ut och motsvarande kanal i regulatorhuset men detta löstes med en 20mm tjock distans med en vinklad genomgående kanal (se 4 figur 5.7).
Figur 5.6. Original bränslesystem.
24
Del i figur 5.5 Benämning
1 Bränsleretur från aktuatorhus
2 Bränslelist
3 Regulatorhus
4 Distans
5 Aktuatorhus
6 Dämpare
7 Aktuatorer
8 Plugg
9 Bränsle in
10 Bränsleretur timingbränsle
Figur 5.7. Bränslesystem anpassat till HPI-rigg.
Regulatorhuset behölls för att det ska gå att välja hur man vill reglera bränsletrycket i aktuatorhuset, antingen med den inbyggda regulatorn eller ersätta den med en plugg och istället använda en extern regulator. På aktuatorhuset sitter det normalt även en avstängningsventil och en tryck- och temperatursensor till motorns styrenhet, anslutningarna till dessa pluggades då de inte kommer användas vid injektortesten (se 8 Figur 5.7).
Bränslelisten har till uppgift att leda timing och railbränsle från aktuatorerna till de olika cylinderhuvudena, på grund av dessa inbyggda kanaler blev det naturligt att bränslelisten kapades till samma mått som aktuatorhuset, de hålen som framkom vid snittet svetsades igen (se 2 figur 5.7)
5.4 Drivning kamaxel
För att kunna montera riggen utan uppmätning så valdes att använda en axelkoppling som kan ta upp eventuella radiella och axiella förskjutningar och även vinkelfel mellan rigg och bänk (Se 5 figur 5.8).
3 4
8 10 7
1 2 5 6 9
25
Kopplingen som valdes är en Rexnord modulflex som heter 9000-100-050 (Se bilaga 3 för spec.). Den klarar ett kontinuerligt vridmoment på 1000Nm och klarar toppar på uppemot 2500Nm vilket ger en stor marginal mot erforderligt vridmoment (Se kapitel 4.3.3). Men det huvudsakliga kriteriet var att den är av samma modell som kopplingen som används till PDE riggen, detta ger att samma medbringare till testbänken kan användas vilket förenklar byte av rigg avsevärt. I övrigt består drivlinan i princip av två medbringare till kopplingen (Se 4 och 6 figur 5.8) Kritiska mått, de som passar in medbringarna med kam- och drivaxel, sattes inom snäva toleranser för att få så lite vibrationer från drivlinan som möjligt. Även en distans monterades för att få lite mer frigång mellan testbänken och medbringare 1 (Se 7 figur 5.8), detta förenklade byte av riggen ytterligare.
5.5 Varvtalsgivare och tandhjul
För att kunna avgöra kamaxelns läge, hastighet och acceleration ersattes svänghjulet av ett tandhjul på riggen. Efter rådslag med en expert på induktiva givare beslutades att använda samma givare och samma signalsystem som normalt på motorn. Tandhjulet har därför 116 stycken luckor och två positionsmarkörer skilda åt med 180˚ mellanrum (Se 3 figur 5.8). Det är dubbelt så många som normalt sitter på svänghjulet, det är en anpassning till det halverade varvtalet som kamaxeln håller jämfört med vevaxeln (Se kapitel 4.4). För att passa till riggen storleksmässigt har tandhjulet dessutom 40 % mindre radie än svänghjulet som det ska ersätta.
Till varvtalsgivarna konstruerades en hållare (Se 2 figur 5.8), även den anpassades till tandhjulets mindre avstånd mellan luckorna genom att vinkeln mellan de två givarna halverades. I övrigt sitter givarna på motsvarande ställen som på svänghjulskåpan. Eftersom den inte är bärande tillverkades den i aluminium för att hålla vikten nere. På givarhållaren sitter det som sagt även invändigt en packbox monterad för att täta runt kamaxeln.
26
Del i Figur 5.6 Benämning
1 Induktiva varvtalsgivare
2 Hållare varvtalsgivare
3 Tandhjul
4 Medbringare 1
5 Attrapp för axelkoppling
6 Medbringare 2
7 Förlängning
Figur 5.8.
2 3 4 5 6 7 1
27
6 Konstruktion bränslevåg
I det här kapitlet beskrivs konstruktion och tillverkning av bränslevågen.
En av förutsättningarna för bränslevågen är att den ska fungera för injektorer av typen öppen spridare (HPI) samt för typen stängd spridare (PDE) (Se kapitel 2.1). Detta medför att både PDE-riggen samt HPI-riggen kan använda det nya, mer användarvänliga datorbaserade mätsystemet som tas fram till HPI-riggen. Det är även viktigt att det ska gå att mäta de olika injektorerna var för sig. Detta ska ske med hjälp av ventiler som ska styra bänkolja från en injektor i taget ner i vågen. Övrigt bränsle åker direkt tillbaka till tanken.
Figur 6.1. Flödesschema för bränsle i testbänk, rigg och bränslevåg.
I figur 6.1 kan man följa bänkoljans väg genom testbänken, provriggen och bränslevågen.
Bänkolja pumpas från testbänkens tank till aktuatorhuset där trycket regleras med tryckregulatorn. Via aktuatorerna går rail- och timingbränslet till injektorerna, efter insprutningen går timingbränslet tillbaka till tanken. Railbränslet samlas upp i bränslekoppar under injektorerna och leds via vattenkylda slingor till bränslevågens ventiler, bränslet kyls för att bränslet ofta har högre temperatur än vad pumpen som tömmer vågens mätkärl klarar av. Ventilen leder sedan bänkoljan ner i mätkärlet på vågen eller tillbaka till tanken. Det som går till mätkärlet vägs och när kärlet är fullt avbryts mätningarna och tömningspumpen pumpar tillbaka bänkoljan till testbänkens tank.
28
För att hålla nere kostnaderna för bränslevågen utgick arbetet från två befintliga överblivna bränslevågar för att konstruera en våg som passar HPI-riggen. En av vågarna erhölls från avdelningen Testing Services (NMOA). De har tidigare använt vågen i en motorprovcell. I den cellen anslöts motorn till en tank som hela tiden vägdes. Motorn tog alltså bränsle från och returnerade till samma tank. På så sätt erhölls bränsleförbrukningen genom att mäta viktminskningen över tid. Detta gav ett medelvärde som dessutom gällde för alla cylindrar gemensamt i en motor.
Från den bränslevågen togs bland annat själva vagnen och vågen. Vågen är en Mettler Toledo MB15L. Vågen klarar en maxvikt på 15 kg vilket möjliggör flertalet mätningar innan tömning av tanken måste ske. Vågen har en linjäritet på +−0,3g vilket ger en bra noggrannhet i mätningarna. Med linjäritet menas inom vilket intervall den på vågen visade uppmätta vikten (se svart streck i figur 6.2) ligger i förhållande till den egentliga vikten (se grönt streck i figur 6.2).
Figur 6.2. Beskrivning av linjäritet.
Vid mätningar på 600 rpm blir den avgivna bränslemängden för en injektor ca 380 g vid 3 minuters tester vilket som mest ger en avvikelse på 0.16 % med ett maximalt mätfel på 0,6 g (0,6/380*100=0,16). Den andra bränslevågen var en påbörjad konstruktion från avdelningen Injection Performance, NMCX, som blivit över. Från den bränslevågen togs bland annat kylslingor, tryckluftstyrda ventiler och ventilstyrning som anpassades till applikationen. Till bränslevågen byggdes även en tillfällig lösning med elektriska kontakter som möjliggjorde styrning av bränslevågens tryckluftsventiler så mätningar kunde påbörjas innan dess att styrsystemet till riggrummet blivit färdigställt.
29
7 Motorstyrsystem
Här redogörs för vilka modifieringar som gjorts i styrsystemet för att det ska passa till HPI- riggen och hur bränslemängder och fasjustering styrs.
Skillnader mellan riggen och en motor i en lastbil gör att det inte går att ta en styrenhet och använda den rakt av i riggen. Mycket av den information som styr mängden rail- och timingbränsle finns inte tillgänglig och måste ersättas. För att förstå det inleds kapitlet med en genomgång av styrsystemets funktion och komponenter.
7.1 Motorstyrsystemets funktion
Motorstyrsystemet består i stort sett av en dator, eller ECU, och ett antal givare som förser datorn med information, två induktiva varvtalsgivare (nedan kallat givare) monterade på svänghjulskåpan och en tryck- och temperaturgivaren i aktuatorhuset. Utifrån information om kamaxelns läge och rörelse, tryck och temperaturen i bränslesystemet och gaspådrag regleras tidpunkter och öppettider för alfa- och deltaaktuatorerna.
Eftersom givarna sitter på svänghjulet som roterar med dubbla hastigheten mot kamaxeln och injektorernas cykeltid finns risk att insprutningen sker med 180 graders (på kamaxeln) fasförskjutning. Om insprutningen är i fas fylls injektorn med rätt mängd bränsle eftersom dess bränslekanaler är öppna när aktuatorerna öppnar. Bränslet sprutas in i cylindern, förbränns och motorns rotation accelererar. Om insprutningen sker i fel fas sker öppning av aktuatorerna vid fel tidpunkter och injektorerna får fel mängd bränsle. Fel fas ger även att förbränningen i cylindrarna inte sker vid de tidpunkter styrenheten förväntar sig, utan med 180 graders (på kamaxeln) förskjutning. Resultatet är utebliven acceleration. När motorn startas mäts accelerationen på svänghjulet för förbränning i cylinder ett. På så sätt lär sig ECUn om aktuatorerna är i fas eller inte och rättar till det vid behov.
Varvtalsgivarna är induktiva givare, när magnetfältet runt dem ändras genererar de en spänning. Magnetfältet runt givarna ändras genom att hål borrade i svänghjulets periferi passerar givarna när svänghjulet roterar. Hur starka de induktiva spänningarna blir beror på hur snabbt och hur mycket magnetfältet förändras. Hur snabbt magnetfältet förändras beror mycket starkt på periferihastigheten med vilken hålen passerar givarna. Ju högre periferihastighet desto större blir spänningsamplituden. Spänningsändringarna kan liknas vid växelspänning där frekvensen är densamma som hålpasseringsfrekvensen. Hålen, 58 st, är placerade på lika avstånd från varandra förutom på ett ställe där två hål är utelämnade och bildar en positionsmarkör. När den passerar givarna minskar frekvensen på den inducerade spänningen under en period. ECUn känner av varje period. Utifrån frekvensen och frekvensändringen mellan två perioder beräknas hastighet och acceleration och med hjälp av positionsmarkören hittar ECUn positionen.
7.2 Motorstyrsystemet till riggen
Vi har utgått från en S6 styrenhet, den variant som monteras på motorer i produktion. För att anpassa styrenheten till riggen har vi tagit hjälp av en programmerare på avdelningen NESE,
30
Engine Performance Software. Han har försett oss med en styrenhet och modifierat dess programvara efter våra önskemål.
Eftersom testbänken levererar tempererad bänkolja med konstant flöde till riggen bedöms tryck- och temperaturskiftningarna vara försumbara. Detta skiljer sig från motorn då flödet från bränslepumpen varierar med varvtal och även temperaturen varierar. Tryck- och temperaturgivaren har därför utelämnats initialt. Bränslemängderna styrs genom att ställa in önskade värden på alfa och delta från PC som en form av simulerat gaspådrag.
Varvtalsgivarna är som sagt monterade vid tandhjulet som roterar med kamaxeln. Eftersom det är mindre och roterar långsammare än svänghjulet blir periferihastigheten en knapp tredjedel jämfört med montering på motor. Det gör att de spänningar som givarna ger är lägre än vid normalt bruk i motorapplikation, de är så pass låga att ECUn inte upptäcker dem. Detta problem löstes med att sänka de två parametrar som styr lägsta detekteringsnivån på dessa spänningar i styrenhetens mjukvara.
Signalmönstret för kamaxelns position och rörelse är detsamma som på en motor. Det gör att problemet med fasförskjutning av insprutningen finns även på riggen. Ingen acceleration kommer heller att noteras av ECUn eftersom det inte sker någon förbränning. Därför måste fasningen ske med hjälp av andra signaler än motorn normalt använder. Från tidigare erfarenheter på Scania finns vetskapen om att trycket i bränslelisten varierar mycket mer när motorn är i fel fas och aktuatorernas öppettider inte sammanfaller med injektorernas. Pga detta monteras en tryckgivare i bränslelistens kanal för railbränsle och den kopplas till ett oscilloskop för att visualisera trycket. För att byta fas installeras en mjukvara för styrning av styrenheten med funktion för fasbyte på PCn som tillhör riggen. När installationen är klar körs riggen vid olika varvtal med olika bränslemängder för att avgöra med vilka inställningar skillnaden mellan de två faserna är tydligast. I figur 7.1 nedan visas skillnaden i tryckvariation vid rätt och fel fas vid 600 rpm, alfa = -6,82 och delta = 217,60 (inställt värde). Det syns hur trycket varierar mer (på den höga nivån) när riggen är i fel fas.
Figur 7.1. Tryck i railkanal i bränslelist, t.v. vid rätt fas, t.h. vid fel fas.
31
8 Riggstyrsystem
Under denna rubrik motiveras utveckling och implementering av ett automatiserat datorstött riggstyrsystem. Det lämnas också en lista med krav som bör ställas på systemet.
Som nämnts tidigare så kommer provningen att ske automatiskt med hjälp av ett datorprogram. Syftet är förutom att frigöra arbetstid för operatören att öka precisionen och repeterbarheten i mätningarna. Genom att samla in mätdata automatiskt minskar de felkällor som finns då en människa manuellt läser av vikten på vågen vid en given tidpunkt. Både tidtagningen och viktavläsningen blir mer exakt. Dessutom kommer varje mätförlopp att vara identiskt över tid. En operatör kan bli avbruten av sina kollegor, telefonsamtal m.m. vilket leder till att mätförloppen kommer att ta olika lång tid. Detta kommer framför allt att leda till variationer i temperaturen mellan olika mätförlopp. Med ett automatiserat mätförlopp minimeras temperaturvariationer mellan mätförlopp och följdfenomen som eventuella avvikelser i mätvärden.
Inom ramen för detta examensarbete har en kravlista för styrsystemet tagits fram.
Förverkligandet av riggstyrsystemet har pga. yttre faktorer skjutits framåt i tiden till efter examensarbetets slut. Nedan följer en beskrivning av de krav som bör ställas på styrsystemet.
Varvtalskontroll
Mätning sker vid ett antal olika varvtal under ett mätförlopp. Styrsystemet ska därför kunna styra testbänkens varvtal.
Alfa och delta
Värdena för alfa och delta varierar med varvtal, alltså måste dessa ändras automatiskt efter ett körschema.
Val av injektor för mätning
Mätning sker normalt på tre injektorer, en i taget, under ett mätförlopp. Pneumatiska ventiler, i sin tur styrda av elektroniska ventiler riktar flödet från respektive injektor antingen ner i vågkärlet eller åter till tanken. Även denna funktion ska styras automatiskt av styrsystemet.
Tömning av vågkärl
Vågkärlet fylls successivt och kommer antagligen att behöva tömmas under ett mätförlopp.
Det ska ske genom att mätningen avbryts då vågkärlet fyllts till angiven nivå och tömningspumpen startas. Tömningsnivån ska sättas så att inte vågkärlet svämmar över och inte heller nivån i testbänkens tank för bänkolja blir så låg att dess drivning slår av. Tömning bör också ske vid avslutad mätning så att startnivån alltid är densamma.
Översvämningsskydd
I bränslevågen finns en optisk nivåvakt monterad. Denna är tänkt som en extra säkerhetsåtgärd för att förhindra översvämning. Den bör anslutas till riggstyrsystemet så att tömning sker då den kommer i kontakt med vätskan i vågkärlet.
