AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK Széchenyi István Egyetem Automatizálási tanszék AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK AKTUÁTOROK Kovács Gergely egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék kovacsge@sze.hu
Aktuátorok Aszinkron motorok Legfontosabb jellemzői Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Legfontosabb jellemzői Legegyszerűbb szerkezetű forgógép Egy és háromfázisú változat is létezik, 1 kW felett általában mindig háromfázisú Legelterjedtebb, üzembiztos gép motorként és generátorként is használható Hátránya folyamatos fordulatszám változtatás csak külön költséges berendezéssel biztosítható Szerkezete Állórész Lemezelt (örvényáramok csökkentése miatt) Háromfázisú tekercs, térben 120-os eltolással Forgórész Lemezelt és hengeres Lehet tekercselt (csúszógyűrűs) vagy rövidrezárt (kalickás)
Aktuátorok Aszinkron motorok Működése Háromfázisú változat Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Működése Háromfázisú változat Az állórészen elhelyezett háromfázisú tekercselésre rákapcsolva a szinuszos háromfázisú feszültséget, az állórészben forgó mágneses tér alakul ki. A forgó mágnes mező az állórészt tápláló hálózat 𝑓 1 frekvenciája és a gép p póluspár számával meghatározott szinkron fordulatszámmal forog. 𝑛 0 = 𝑓 1 𝑝 1 𝑠 A forgó mágneses tér hatására a forgórészben feszültség indukálódik, melynek hatására a villamosan rövidre zárt forgórészben áram indul meg. Az áram és a mágneses tér kölcsönhatása nyomatékot létesít, amely a forgórészt a mezővel egyező irányban forgásba hozza. Minél jobban közeledik a fordulatszám a szinkron fordulathoz, annál kisebb a forgórészben indukálódó feszültség, mert a forgó mágneses mező és a forgórész közötti relatív sebesség annál jobban csökken. Ha a forgórész elérte a szinkron fordulatszámot, a mezőhöz képest relatív nyugalomba kerül, a tekercseiben nem indukálódik feszültség, nem jön létre áram, és így nyomaték sem keletkezik. A gép csak a szinkrontól különböző fordulatszám mellett tud nyomatékot kifejteni. Ezért nevezik nem szinkron, azaz aszinkron motornak. Terhelés hatására megnövekszik a forgórész árama, ami 3-6%-os fordulatszám csökkenést okoz.
Aktuátorok Aszinkron motorok Alkalmazása Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Alkalmazása Változtatható sebességű hajtások: olyan folyamatokban alkalmazzák, melyekben szükség van a fordulatszám vezérlésére, mint pl. szivattyúknál, ventilátoroknál, kompresszoroknál. Szervo meghajtások: korszerű vezérléssel az indukciós motorok használhatók, mint szervo meghajtók (precíz pozíció és sebesség beállítással) számítógép perifériákban, szerszámgépekben és a robotikában.
Aktuátorok Aszinkron motorok Kalickás motor Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Kalickás motor A kalickás forgórészeken nincs tekercselés és csúszógyűrű. A „tekercselés” a hornyokban elhelyezett rudakból áll (hornyonként egy rúd), amelyeket a forgórész homlokoldalán egy-egy rövidrezáró gyűrű kalickává egyesít. A kalicka olyan többfázisú tekercsnek tekinthető, amelynek annyi fázisa van, ahány horony van a forgórészén.
Aktuátorok Aszinkron motorok Kalickás motor Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Kalickás motor Slip (csúszás): Mechanikai terhelés hatására a motor fordulatszáma beáll arra az értékre, amelynél a szekunder oldali indukált feszültség által létrehozott áram nyomatéka egyensúlyt tart a terhelő nyomatékkal. Ez a fordulatszám motoros üzemállapotban a szinkron fordulatszámnál mindig kisebb. A forgórésznek a forgómezőhöz képesti relatív lemaradását, csúszását szlipnek nevezzük. 𝑠= 𝑛 0 −𝑛 𝑛 0 =1− 𝑛 𝑛 0 s -szlip n - a tengely fordulatszáma n 0 - a fluxus szinkronforuladtszáma Névleges üzemállapotban a szlip átlagos értéke 3 - 6 %. A fordulatszám a szlip ismeretében meghatározható 𝑛= 1−𝑠 𝑛 0
Aktuátorok Aszinkron motorok Kalickás motor Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Kalickás motor Nyomaték-fordulatszám jelleggörbe: Mi : indítási nyomaték Mb : billenő vagy maximális nyomaték Mt : terhelő nyomaték n0 : szinkron fordulatszám sB : billenő szlip
Aktuátorok Aszinkron motorok Kalickás motor indítása Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Kalickás motor indítása Az aszinkron motorok indításkor a névleges áramuk többszörösét veszik fel a hálózatból. A nagy indítási áram nagy feszültségesést okozhat a hálózatban, amely hibás működést okozhat, ezen hálózatról táplált egyéb fogyasztókban, ezért ezt a nagy feszültségesést meg kell akadályozni. Közvetlen indítás: Kisebb teljesítményű motor és „erős” hálózat esetén megengedett a közvetlen indítás. Ilyenkor a motort indításkor közvetlenül rákapcsolják a hálózatra. A nagy indítási áram csökkentésére az alábbi módszerek használatosak: Kapocsfeszültség csökkentése (Ohm törvényét kihasználva: ha kisebb a feszültség, akkor kisebb az áram is, azonos impedanciát feltételezve) Ellenállással: a motor és a hálózat közé ellenállásokat iktatunk (veszteséges) Reaktanciával: a motor és a hálózat közé reaktanciákat iktatunk (elvileg veszteségmentes) Transzformátorral: a motor és a hálózat közé transzformátort iktatunk (elvileg veszteségmentes) Y/Δ indítás: egyik leggyakoribb megoldás. Indításkor a motor állórész tekercseit csillagba, majd a forgórész felpörgése után deltába kapcsolják. Ezzel a megoldással az eredeti indítási áramot a harmadára lehet csökkenteni. Elektronikus kapcsolás alkalmazása (ún. lágyindítók alkalmazása): Ez a legkorszerűbb megoldás, elektronikus eszközök alkalmazásával érjük el, hogy a motorra a hálózatinál kisebb feszültség jusson. Alkalmazásával előre programozható módon beállítható a motor indítási árama, az indítási idő hossza, az indító nyomaték értéke, stb.
Aktuátorok Aszinkron motorok Aszinkron motorok lágyindítása Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Aszinkron motorok lágyindítása A nagy indítóáram csökkentése érdekében, csökkentett feszültséggel indítjuk a motort egy tirisztoros áramkör segítségével. Ha a csökkentett feszültséggel létrehozott nyomaték meghaladja a terhelőnyomatékot, a motor felgyorsul (a csúszás lecsökken), a motoráram pedig, folyamatosan mérséklődik. Az állandósult állapot elérésekor minden tirisztor fél periódusideig vezet. Ezután, a tirisztorokat mechanikai érintkezőkkel át lehet hidalni, hogy megszüntessük a teljesítményveszteséget, melyet a vezetőirányú feszültségesés (1-2V) okoz a félvezető elemeken.
Aktuátorok Aszinkron motorok Egyfázisú aszinkron motorok Automatizálási tanszék Aszinkron motorok Egyfázisú aszinkron motorok Állórészén egyfázisú tekercselés található, a forgórészük, pedig minden esetben kalickás kivitelű. Az állórészre kapcsolt egyfázisú feszültség hatására kialakuló lüktető mágneses tér tartja forgásban a forgórészt, azonban az indításhoz ún. segédfázis tekercs szükséges A motorban állórészének tekercselése által létrehozott lüktető mágneses tér két, egymással szemben forgó, félakkora amplitúdójú forgó fluxus eredőjének tekinthető. Mindkét összetevő forgó mágneses tere indukció útján többfázisú áramot és így nyomatékot hoz létre a forgórészben. A két nyomaték ellentétes irányú, nagyságuk egyenlő, így eredőjük zérus, azaz a gépnek nincs indítónyomatéka. Ezt ábrázolja az alábbi ábra (a középső jelleggörbe lényegében az egyfázisú aszinkronmotor jelleggörbéje):
Aktuátorok Egyenáramú motorok Felépítése Automatizálási tanszék Egyenáramú motorok Felépítése Az acélöntvényből készült henger alakú állórész, amelyre csavarokkal erősítik fel a fő- és segédpólusokat. A főpólusokon elhelyezett, és egyenárammal táplált gerjesztő tekercsek a főpólus tekercsek – gerjesztik a gép fluxusát. (kisebb teljesítményű gépeknél az állórészt állandó mágnesből készítik, így nem kell az állórészt külön gerjeszteni). A lemezelt, henger alakú, külső felületén hornyokkal ellátott forgórész az armatúra, amelynek tekercselésében a főfluxus hatására feszültség indukálódik. A kommutátor, amely az armatúra tekercselés váltakozó áramát mechanikus úton egyenirányítja. A kefék, amelyek az armatúra áramot a kommutátorról csúszóérintkezéssel szedik le.
Aktuátorok Egyenáramú motorok Működése Automatizálási tanszék Egyenáramú motorok Működése Az állandó mágnes mágneses terében van elhelyezve egy vezetőkeret (armatúra), amelyben áram folyik. Az áram hatására a vezető körül mágneses mező alakul ki, amely merőleges lesz az állandómágnes mágneses terének vektoraira. Ez egy bizonytalan egyensúlyi helyzet, s a Lorentz-féle erőhatás miatt a forgórész elfordul. 180º-os elfordulás után stabil helyzet alakulna ki, ha a vezetőkeretben nem fordulna meg az áram iránya. Mivel a kommutátor szegmensek átcsúsznak a másik szénkefe alá, így megfordul az áramirány, s a folyamat kezdődik elölről. Az állórész állandó mágnese helyett gyakran alkalmaznak tekercset, amit egyenárammal gerjesztenek.
Aktuátorok Egyenáramú motorok Helyettesítőképe Automatizálási tanszék Egyenáramú motorok Helyettesítőképe Ug - gerjesztő feszültség Ig - gerjesztő áram Ф - főfluxus Uk - armatúra kapocsfeszültsége Ia - armatúra áram Ub - armatúra belső indukált feszültsége
Aktuátorok Egyenáramú motorok Külső gerjesztésű motor Automatizálási tanszék Egyenáramú motorok Külső gerjesztésű motor Két pár független kivezetése van. Egyikre kapcsoljuk a gerjesztő feszültséget, a másikra, pedig az armatúra feszültséget. Legfontosabb tulajdonsága a fordulatszámtartás. Növekvő nyomaték mellett nem változik meg lényegesen a fordulatszám.
Aktuátorok Egyenáramú motorok Soros gerjesztésű motor Automatizálási tanszék Egyenáramú motorok Soros gerjesztésű motor Az armatúra sorosan van kapcsolva a gerjesztő tekerccsel, ezért a gerjesztő áram azonos az armatúraárammal. A motor indulásakor, amikor az armatúraáram nagy és a fordulatszám még kicsi, akkor adja le a legnagyobb nyomatékot, majd a fordulatszám növelésével csökken a nyomaték és az áramfelvétel is.
Aktuátorok Egyenáramú motorok Soros gerjesztésű motor Automatizálási tanszék Egyenáramú motorok Soros gerjesztésű motor Sajátos tulajdonsága, hogy egyaránt működik váltakozó-, illetve egyenáramú táplálásról is, ezért univerzális gépnek nevezzük. A motor forgásirányának változtatása csak a gerjesztő tekercs kapcsainak felcserélésével lehetséges.
Aktuátorok Egyenáramú motorok Vegyes gerjesztésű motor Automatizálási tanszék Egyenáramú motorok Vegyes gerjesztésű motor A fordulatszám illetve a nyomaték az armatúraáram függvényében (jelleggörbék) A jelleggörbékben felismerhető a soros és a párhuzamos gerjesztés hatása is, ugyanis nem lineáris a fordulatszám jelleggörbe, azonban van üresjárási fordulatszám Legfontosabb jellemzői Van soros és párhuzamos gerjesztése is Ritkán használják Nem fordulattartó
Aktuátorok Szervohajtások Szervomechanizmusok Automatizálási tanszék Szervohajtások Szervomechanizmusok Szervo mechanizmusnak, vagy rövidebben szervonak olyan rendszert hívunk, amely negatív visszacsatolású hibaérzékelő rendszert használ a mechanizmus megfelelő teljesítményének elérése érdekében. Ez a definíció még kiegészül azzal, hogy csak akkor nevezünk igazából szervonak egy rendszert, ha az a fent említett hiba korrekciós rendszer segítségével képes szabályozni a mechanikai pozícióját is. Felhasználási területei Pozíciószabályozás Leggyakrabban pozíciószabályzásra alkalmazzák A szervo rendszerek a negatív visszacsatolás elv alapján működnek, ahol az alapjelet hasonlítjuk a tényleges helyzethez, ebből különbséget számolunk, ezt a különbséget, mint hibajelet erősítjük, és szükség esetén átalakítjuk, ezután ennek alapján a rendszert úgy vezéreljük, hogy a hiba a lehető legkisebb legyen. Sebességszabályozás Nyomatékszabályozás Leggyakoribb fajtái Egyszerű szervohajtás (Brushed DC Motor) Coreless DC hajtások Brushless DC hajtások AC szervo hajtások
Aktuátorok Szervohajtások Egyszerű szervohajtás (Brushed DC Motor) Automatizálási tanszék Szervohajtások Egyszerű szervohajtás (Brushed DC Motor) A DC szervok kis súlyú, kis tehetetlenségi nyomatékú armatúrával rendelkeznek, melyek gyorsan reagálnak a gerjesztő feszültség változásaira. Az armatúrára jellemző még a kis induktivitás, így ezek a szervók igen kis időállandókkal rendelkeznek . Általában kettő, négy, vagy hat pólussal rendelkeznek. Legnagyobb hibája a kommutátor szikrázása, a kommutátor kopása, és a kis pólusszámból adódó ugráló mozgás kis fordulatszámon, vagy indításkor. Leggyakrabban számítógépek meghajtóinál, NC szerszámgépeknél, és egyéb olyan helyeken használjuk, ahol fontos a gyors indulás, és a gyors és precíz pozícióra való állás.
Aktuátorok Szervohajtások Coreless DC hajtások Automatizálási tanszék Szervohajtások Coreless DC hajtások Legnagyobb előnye a szimpla DC motorokkal szemben a még kisebb tehetetlensége, az alacsony mechanikai időállandó, és a nagy hatékonyság. A mag vas felhasználása nélkül készül, így a tömege jelentősen kisebb, így ezek a motorok jelentősen nagyobb gyorsulást, és lassulást képesek produkálni, mint bármely más technológiájú DC motor. A vasmag megszűnésével járó egyéb előnyök mellett megszűnik a lemezekre ható mágneses erő, amely csökkenti a motor teljesítményét. A vas hiánya tehát kiküszöböli a motor ugráló mozgását, így a Coreless motorok még alacsony fordulatszámoknál is simán futnak. Általában a Coreless motorokban a AlNiCo mágnesek helyén Samarium-Cobalt mágnesek helyezkednek el az állórészben Egy Coreless motor tipikusan 150.000rad/sec2 gyorsulásra képes, de több mint 1.000.000 rad/sec2 gyorsulás is elérhető. 1 - Terminal 2 - Brush base 3 - Brush 4 - Commutator 5 - Coil 6 - Shaft 7 - Bearing 8 - Magnet 9 - Housing 10 - Bearing
Aktuátorok Szervohajtások Brushless DC hajtások Automatizálási tanszék Szervohajtások Brushless DC hajtások A DC motor permanens mágneseket tartalmaz a forgórészében, míg az állórész tartalmazza a három, egymástól 120°-ban elhelyezett gerjesztő tekercset, melyek a nyomaték létrehozásáért felelősek. A nyomaték az állandómágnesek és a gerjesztőtekercsek által létrehozott mágneses mezejének nagyságától függ. Az állórész által létrehozott mágneses tér forog, mely forgásra készteti a forgórészben lévő állandómágneseket. A forgórész szinkronban forog a mágneses mezővel, ezért szinkron motornak is szokták nevezni. Ez a motor nem egyből váltakozó árammal van hajtva, ezért a kommutációt meg kell oldanunk. Ezt elektromosan oldják meg. Ezt hívjuk elektromosan kommutált motornak. Ennél a megoldásnál közvetlenül tudjuk állítani a forgórész helyzetét. Nincs üzemszerűen kopó alkatrész (szénkefe), így a motornak sokkal jobb az élettartama.
Aktuátorok Szervohajtások AC szervo hajtások Automatizálási tanszék Szervohajtások AC szervo hajtások Az AC szervók általában alapvetően kétfázisú, reverzibilis, indukciós motorok, szervo működésre átalakítva. Az AC szervo motorokat főleg olyan helyen alkalmazzuk, ahol fontos, hogy a motor, gyors, nagy pontosságú karakterisztikákkal rendelkezzen. Hogy elérjék ezen karakterisztikákat, az AC szervo motoroknak kis átmérőjű, nagy ellenállású rotorjaik vannak. A kis átmérő kis tehetetlenségi nyomatékot biztosít, a gyors indulás, megállás, irányváltás érdekében. A magas ellenállásérték pedig majdnem teljesen lineáris sebesség-nyomaték karakterisztikát eredményez, amely növeli a motor pontosságát.
Aktuátorok Léptetőmotorok Automatizálási tanszék Léptetőmotorok Elektromechanikus átalakítók. Villamos impulzusokat alakítanak át szögelfordulássá. Általános tulajdonságok Jó hatásfok, csillapítás, statikus és dinamikus tulajdonságok Visszacsatolás nélküli pontos pozícionálás, adott számú léptetőimpulzus hatására Nagy nyomaték kis sebességeknél és gerjesztett nyugalmi helyzetben is A tengely diszkrét lépések sorozatával forog. Mindig ugyanannyi lépés után tesz meg egy körülfordulást Leggyakrabban egy lépés 1,8◦, vagy 3,6◦ elfordulást eredményez Vezérlése: vezérlő frekvencia segítségével Alkalmazása Digitális pozícióvezérlés, szabályozás Típusai, felépítés szerint Állandómágneses Lágymágneses Hibrid típusok Fordulatszáma: n=60 f i k n – motor tengelyének percenkénti fordulatszáma f i - a vezérlő impulzussorozat frekvenciája k – a motor fordulatonkénti lépésszáma
Aktuátorok Léptetőmotorok Felépítése Automatizálási tanszék Léptetőmotorok Felépítése Az állandómágneses léptetőmotoroknál az állórész pólusain helyezkednek el a fázistekercsek, míg a forgórész - nagy koercitív erejű - permanens mágnes. Az egyenletesebb léptetést a fázisszám növelésével lehet elérni.
Aktuátorok Léptetőmotorok Tekercselése Automatizálási tanszék Léptetőmotorok Tekercselése A fázistekercseket - két különböző megoldással - helyezik el a pólusokon. unipoláris, minden póluson egy önálló tekercs van a bipoláris, amelynél egy pólus-páron van egy tekercs, és az lehet egyszeres Az unipoláris tekercselésnél a póluson elhelyezkedő „fél” - tekercsnek, vagy mindkettő, vagy csak egyik végük, és egy közösített vég van kivezetve. A geometriailag szembenálló pólusok alkotnak egy póluspárt, és ezeken van egy fázistekercs. Az unipoláris elnevezés arra utal, hogy mindegyik tekercset azonos polaritású feszültséggel (árammal) kell gerjeszteni.
Aktuátorok Léptetőmotorok Léptetési módok Teljes léptetéses üzemmód Automatizálási tanszék Léptetőmotorok Léptetési módok Teljes léptetéses üzemmód (kéttekercses) Teljes léptetéses üzemmód Fél léptetéses üzemmód Mikroléptetéses mód Ebben az esetben a motor névleges feszültségét szétosztják a két szomszédos tekercs között. Minél több részre osztják, annál több lépésből áll két egész lépés közötti szögelfordulás. Pl.: Feltételezve, hogy a motor névleges feszültsége 5V, a feszültséget 1 voltonként osztjuk szét. Tehát a két tekercsre 1-4, majd 2-3, utána 3-2, végül 4-1 voltot adunk. Tehát ebben az esetben 4 lépésből teszi meg a két teljes lépés közötti távolságot.
Aktuátorok Léptetőmotorok Vezérlési táblázatok Automatizálási tanszék Léptetőmotorok Vezérlési táblázatok Teljes léptetéses üzemmód Fél léptetéses üzemmód Teljes léptetéses üzemmód (kéttekercses)
Aktuátorok Léptetőmotorok Vezérlési szakaszok Automatizálási tanszék Léptetőmotorok Vezérlési szakaszok A léptetőmotorral megvalósított hajtásoknál a pozícióba történő vezérlés pontossága mellett, igény még a cél leggyorsabb elérése is. A megvalósításnál cél a megengedhető szerinti vezérlés megvalósítása. A vezérlési szakaszok az indítás (felfuttatás), az állandó szögsebességű hajtás, és a leállítás (fokozatosan). Mindhárom szakaszban biztosítani kell, hogy ne legyen lépéstévesztés. Ezt egyrészt a megfelelő sorrendű gerjesztéssel másrészt, pedig azzal érhetjük el, hogy a sebesség változtatásának mértéke nem haladhatja, meg az un. start-stop frekvenciát. A változó forgás-irányú hajtásvezérlés is három szakaszú. A forgásirány változtatása, csak a motor nyugalmi helyzetében történhet. Ekkor lesz rángatás-mentes a váltás. A vezérlés csak az adott motor tulajdonságainak figyelembevételével végezhető el. Első lépésben ismerni kell a motort, és a hajtott rendszer nyomatékigényét. Ezek ismeretében határozható meg az indítási-, leállítási határfrekvencia, az alkalmazható üzemi frekvencia
A léptetőmotorok illesztő áramkörei Aktuátorok Automatizálási tanszék A léptetőmotorok illesztő áramkörei Feladatuk A szükséges teljesítményillesztés biztosítása Az egyes tekercseken átfolyó áram nagyságának és irányának változtatása Meghajtó áramkör – Darlington kapcsolással
A léptetőmotorok illesztő áramkörei Aktuátorok Automatizálási tanszék A léptetőmotorok illesztő áramkörei Meghajtó áramkör – Hídkapcsolással (LM 298)
A léptetőmotorok illesztő áramkörei Aktuátorok Automatizálási tanszék A léptetőmotorok illesztő áramkörei Meghajtó áramkör – Hídkapcsolással és védődiódával
Nyomásszabályozó mágnesszelepek (DSV) Aktuátorok Automatizálási tanszék Nyomásszabályozó mágnesszelepek (DSV) Alkalmazása A nagynyomású szivattyúval táplált közvetlen befecskendezésű rendszerekben. A nagynyomású és a kisnyomású tér közé szerelik fel az elosztócsőre. Feladatuk A kívánt nyomás biztosítása a tüzelőanyag elosztócsőben. Szabályozása A cső áramlási keresztmetszetének változásával valósul meg. Működése Árammentes állapotban zárva van. Pulzusszélesség modulált jellel működtetik. Az árammal átjárt mágnestekercs által létrehozott mágneses térerősség hatására csökken a rugóerő, amely felemeli a szelepgolyót, ez által módosítva az áramlási keresztmetszetet. az impulzus-kitöltési tényező függvényében szabályozza be a nyomócső nyomását. A szivattyú által szállított felesleges tüzelőanyag visszakerül a kisnyomású körbe.
Nyomásszabályozó mágnes szelepek Aktuátorok Automatizálási tanszék Nyomásszabályozó mágnes szelepek Felépítése Elektromos csatlakozás Szeleprugó Szolenoid tekercs Szolenoid armatúra Szeleptű Tömítőgyűrűk (O-gyűrűk) Kivezető rés Szelepgolyó Szelepülés Bemenet a szűrőszitával
Nyomáshatároló szelep Aktuátorok Automatizálási tanszék Nyomáshatároló szelep Alkalmazása Igény oldali vezérlésű szivattyúval működő közvetlen befecskendezésű rendszerekben. Feladata Megakadályozza, hogy amikor a mennyiségszabályozó nem működik, túl magasra emelkedjen a tüzelőanyag nyomás, mivel a szivattyú szállítása folyamatos. Működése A szivattyúval táplált közvetlen befecskendezésű rendszerek nyomócsövére kerül felszerelésre, így elválasztja egymástól a kisnyomású és a nagynyomású teret. Kis nyomáson a szeleprugó a szelepgolyót az ülésébe nyomja és elzárja a nagynyomású teret a kisnyomású tértől. Abban az esetben, ha a nyomás a nyitási nyomást meghaladja, a golyó elemelkedik az ülésről, és lehetővé teszi, hogy az összenyomott tüzelőanyag átfolyjon az alacsony nyomású térbe.
Tüzelőanyag-nyomás szabályzó Aktuátorok Automatizálási tanszék Tüzelőanyag-nyomás szabályzó Feladata Lehetővé tenni, hogy éppen elegendő tüzelőanyag folyjon vissza a tartályba, így a befecskendező elemeken létrejövő nyomásesés állandó. Működési elve A tüzelőanyag-nyomásszabályzó membrán-vezérlésű, túlfolyó típusú. A nyomásszabályzót egy gumimembrán a tüzelőanyag-kamrára és a rugókamrára osztja fel. A membránba beépített szeleptartón keresztül a rugó egy mozgó szeleptányért szorít a szelepülésre, így a szelep zár. Amint a tüzelőanyag által a membránra gyakorolt nyomás meghaladja a rugóerőt, a szelep újra nyit, és éppen annyi tüzelőanyagot enged visszafolyni a tüzelőanyag-tartályba, hogy a membránon ismét erőegyensúly jöjjön létre. Alkalmazása A szívócső befecskendező rendszereknél Felépítése Csatlakozó a szívócsőhöz Rugó Szeleptartó Membrán Szelep Tüzelőanyag belépés Tüzelőanyag kilépés
Tüzelőanyag-nyomás csillapító Aktuátorok Automatizálási tanszék Tüzelőanyag-nyomás csillapító Feladata A befecskendező szelepek ütemes működése és a térfogat-kiszorításos elektromos tüzelőanyag-tápszivattyúk által végzett periodikus tüzelőanyag-szállítás a tüzelőanyagban nyomás-lengést idéz elő. Ez nyomás-rezonanciát idézhet elő, ami zavarhatja a pontos tüzelőanyag-adagolást. Bizonyos körülmények között a nyomáslengések az elektromos tüzelőanyag szivattyú-rögzítő elemein, a tüzelőanyag-vezetékeken és a tüzelőanyag elosztó elemeken keresztül átadódhatnak a tüzelőanyag-tartályra és a jármű karosszériájára, így zajt kelthetnek. Ezek a nyomás-csillapítókkal kiküszöbölhetők. Felépítése Felépítésében hasonlít a tüzelőanyag-nyomás szabályzóra. Egy rugóval előfeszített membrán választja el egymástól a tüzelőanyag-kamrát és a levegőkamrát. A rugóerőt úgy választják meg, hogy a membrán akkor emelkedjen el az üléséről, amint a tüzelőanyag nyomása eléri a működési tartományt. Ez azt jelenti, hogy a tüzelőanyag-kamra térfogata változó, és tüzelőanyagot vesz fel, ha nyomáscsúcsok jönnek létre, illetve enged ki, ha csökken a nyomás Alkalmazása A tüzelőanyag-nyomásszabályzóhoz hasonlóan, a tüzelőanyag-nyomáscsillapító is a tüzelőanyag-elosztón vagy vezetéken helyezkedhet el.
Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Aktuátorok Automatizálási tanszék Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Feladata Az elektromosan vezérelt és működtetett befecskendező szelepek a rendszer nyomása alatt álló tüzelőanyagot befecskendezik a szívócsőbe. Lehetővé teszik a pontosan a motor igényéhez igazított mennyiségű tüzelőanyag befecskendezését. Vezérlésük a motor vezérlőegységébe épített végfokkal, a motorirányító rendszer által számítással meghatározott jellel történik. Felépítése Hidraulikus csatlakozó O-gyűrű Szelepház Elektromos csatlakozó Műanyag szorító Szűrőszita Belső pólus Szeleprugó Mágnestekercs Szeleptű armatúrával Szelepgolyó Szelepülés Befecskendező nyílás
Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Aktuátorok Automatizálási tanszék Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Működése Ha a mágnestekercsben nincs áram, a rugó és a tüzelőanyag nyomásából származó erő a szeleptűt és a szelepgolyót a kúpos szelepüléshez nyomja. Így a tüzelőanyagellátó rendszer el van szigetelve a szívócsőtől. Ha a tekercset áram járja át, mágneses tér keletkezik, amely a szeleptű mágnesarmatúráját maga felé húzza. A szelepgolyó elemelkedik a szelepülésről, és tüzelő-anyag fecskendeződik be. A gerjesztő áram megszűnésekor a rugóerő ismét zárja a szeleptűt. Elektronikus működtetés A befecskendező szelep számára vezérlőegység modul szolgáltatja a kapcsolási jelet. (a). A mágnestekercsben megnövekszik az áramerősség (b) és ez a szeleptű (c) elemelkedését eredményezi. A legnagyobb szelepnyitás a tpk emelési idő eltelte után alakul ki. A tüzelőanyag-permet kilépése akkor kezdődik meg, amikor a szelepgolyó elemelkedik az üléséről. A befecskendezési impulzus során befecskendezett teljes tüzelőanyag-mennyiség a (d) ábrán látható. A működtetés kikapcsolásakor megszűnik az áram. A tömegtehetetlenség lezárja a szelepet, de ez csak lassan megy végbe. A szelep teljes zárása a tdr (zárási idő) elteltével következik be
Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Aktuátorok Automatizálási tanszék Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Nagynyomású befecskendező szelep (HDEV) Feladata A nagynyomású befecskendező szelep feladata egyrészt a tüzelőanyag adagolása, másrészt a porlasztás révén a szabályozott tüzelőanyag-levegő keverék létrehozása az égéstér jól meghatározott helyén. A kívánt működési módtól függően a tüzelőanyag vagy a gyújtógyertya követlen környezetében koncentrálódik, vagy egyenletesen oszlik meg az égéstér egészében. Felépítése Tüzelőanyag bevezetése szűrővel, elektromos csatlakozó, rugó, Mágnestekercs, Szelephüvely, Tűszelep az elektromágnes-armatúrával, Szelepülés, Befecskendező szelep kivezető nyílása
Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Aktuátorok Automatizálási tanszék Befecskendező szelepek, Mágnestekercs működtetésű szelepek Nagynyomású befecskendező szelep (HDEV) Működése Amikor a tekercset áram járja át, mágneses tér keletkezik. Ez a rugóerővel szemben elemeli a szeleptűt a szelepülésről és megnyitja a befecskendező szelep kivezető nyílásait. A rendszer nyomása bepréseli a tüzelőanyagot az égéstérbe. A befecskendezett tüzelőanyag mennyisége alapvetően a nyitás időtartamától és a tüzelőanyag nyomásától függ. Amikor a mágnestekercset energiával ellátó áram kikapcsolódik, a rugóerő visszanyomja a szeleptűt az ülésre és ezáltal megszakad a tüzelőanyag kiáramlása. A tüzelőanyag kiváló elporlasztása a szelep megfelelő geometriai kialakításának köszönhető. Vezérlése A motor ECU vezérlőegységében lévő mikroszabályozó csak egy digitális vezérlőjelet (a) ad. Ezt a jelet a kimenő modul (ASIC) használja fel a befecskendezőnek adott jel (b) létrehozásához. A motorvezérlő egység DC/DC konvertere 65 V-os erősítő-feszültséget hoz létre, amely azért szükséges, hogy az áramot az erősítési fázisban a lehető leggyorsabban nagy áramértékre növelje fel, ami a lehető legnagyobb gyorsulással való emelkedést segíti elő. Az emelkedési fázisban a szeleptű így eléri a maximális nyitási emelést (c). Amikor a befecskendező nyitott helyzetben van, kis vezérlő áramerőség (fenntartó áram) is elegendő a befecskendező nyitva tartásához. Állandó befecskendező-szeleptű nyitáskor a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége (d) a befecskendezés időtartamával arányos.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Feladata Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Feladata A gyertya feladata a gyújtási energiát az égéstérbe vezetni és az elektródok közötti villamos szikrával a levegő/üzemanyag keveréket meggyújtani. Követelmények Elektromos Az égési folyamat során az üzemanyagból és az olajadalékokból képződő maradékok, mint pl. a korom, az olajkoksz és a hamu, adott termikus körülmények között villamosan vezetőképesek. De még ilyen esetben és nagy feszültségeknél sem következhet be átütés vagy átívelés a szigetelőtesten. A szigetelőtest villamos ellenállásának (szilárdságának) 1000°C-ig kellően nagynak kell lennie, és a gyújtógyertya élettartama alatt nem szabad megváltoznia. Mechanikai A gyújtógyertyának ellent kell állnia az égéstérben periodikusan fellépő (kb. 50 bar- ig terjedő) nyomásnak, anélkül, hogy gáztömörsége kárt szenvedne. Ezenkívül nagy mechanikai szilárdságot követelünk meg, különösen a szigetelőtesttől, amely szereléskor, illetve üzem közben a menetes vég és a gyújtóvezeték révén van terhelésnek kitéve. A meghúzáskor fellépő erőket a gyertyaháznak kell - maradó alakváltozás nélkül - elviselnie.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Követelmények Kémiai Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Követelmények Kémiai A gyertyának az égéstérbe nyúló része vörös izzásig felhevülhet, és a nagy hőmérsékleten lezajló kémiai folyamatoknak ki van téve. Lehűléskor a harmatpont átlépésekor az üzemanyag egyes alkotóelemei agresszív maradékként a gyertyán lecsapódnak, és megváltoztathatják a tulajdonságait. Termikus Üzem közben a forró égési gázok hirtelen felhevítik a gyújtógyertyát, majd röviddel ezután a beszívott hideg levegő/üzemanyag keveréknek van kitéve. Ezért a szigetelőtesttel szemben termosokk állékonyság szempontjából igen magas a követelmény. Ugyanúgy kívánatos, hogy a gyertya az égéstérben felvett hőt a hengerfejnek a lehető legnagyobb mértékben leadja; a gyertya csatlakozóvégének csak a lehető legkisebb mértékben szabad felmelegednie.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Felépítése Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Felépítése A gyertya fémből, kerámiából és üvegből készül. Legfontosabb alkatrészei Csatlakozócsap Az acél csatlakozócsap vezetőképes olvasztott üveggel - amely a középelektród felé az összeköttetést is képezi - gáztömören a szigetelőtestbe van ágyazva. Szigetelőtest A szigetelőtest anyaga különleges kerámia, és az a feladata, hogy a középelektródot és a csatlakozócsapot a gyertyaháztól elszigetelje. A szigetelőtest csatlakozó felőli oldalának felülete mázas, amelyen sem a nedvesség, sem a szennyeződés nem tapad meg jól, miáltal a kúszóáramok kialakulása akadályba ütközik. A kúszóáramok elleni további védelem a szigetelőtest felületén kialakított öt horony és borda (kúszóáramgát), amelytől a kúszóáram útja úgy meghosszabbodik, hogy a legszélsőségesebb esetekben sem léphet fel kúszóáram A szigetelőtest fogja körül a középelektródot és a csatlakozócsapot.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Felépítése Gyertyaház Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Felépítése Gyertyaház A gyertyaház acélból készül és a gyertyát a hengerfejben rögzíthetővé teszi. Felső részén hat-szögletű kiképzés van a gyertyakulcs számára, alsó része pedig menetes. Elektródok Az elektródok erózió (leégés a gyújtószikra következtében) és korrózió (kémiai és termikus behatás) következtében kopnak. A kopásra gyakorolt hatásuk egymástól nem választható el. A kopás növeli a gyújtófeszültség-igényt. Az elektródoktól jó hővezető képességet várunk el.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Felépítése Elektródok Testelektród Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Felépítése Elektródok Testelektród A testelektródot a gyertyaházra rögzítik, és többnyire négyszög-keresztmetszetű. Vannak különböző testelektróda méretű és testelektróda számú gyújtógyertyák. Az erősebb testelektróda profil, valamint a többszörös testelektród növeli a gyertyák élettartamát. Középelektród A szokásos kivitelű gyújtógyertyák (légrés a szigetelőtest talpfurata és a középelektród között) középelektródjának vége a szigetelőtestbe villamosan vezető üvegolvadékkal gáztömören be van öntve. Az elektród átmérője valamivel kisebb, mint a szigetelőtest talprészében levő furaté. A henger alakú középelektród a szigetelőtalpon (csúcson) túlnyúlik, abból kiáll.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Felépítése Elektródok Elektródtávolság Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Felépítése Elektródok Elektródtávolság Ez a közép- és a testelektród közötti legrövidebb távolságot jelenti, és egyúttal a szikraköz hosszmértéke. Minél kisebb az elektródtávolság, annál kisebb a gyújtási feszültség igény. Túlságosan kis elektródtávolságnál ugyan nagy a feszültségtartalék, mégis gyújtáskimaradások léphetnek fel, mert a keverék nehezen jut a szikraközbe, vagy a szikrának csak kis része éri el. A túl nagy elektródtávolság nagy gyújtási feszültséget igényel. Ez kis feszültségtartalékot jelent. Bár a keverék jól hozzáfér a szikraközhöz, mégis fennáll a gyújtáskimaradás veszélye. Az elektródtávolság szokásos értéke kb. 0,7-1,1 mm. Elektródalak Az elektród alakja befolyásolja a hő elvezető képességet, a keverék-hozzáférhetőséget, a kopásállóságot és a gyújtási- feszültség-igényt. Az elektród alakja a szikraköz fajtájától és a szikrahelyzettől függ.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Felépítése Szikraköz Légszikraköz Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Felépítése Szikraköz Légszikraköz A gyújtószikra a két elektród közötti saját útján átüti az ott levő levegő/üzemanyag keveréket. A "nyitott" szikraköz nagyon jól hozzáférhető a keverék számára. Kúszószikraköz A testelektród gyűrűként veszi körül a középelektródot (H ábra). A középelektród szabad vége csak kissé áll ki a szigetelőtest talpcsúcsából. Ezáltal a gyújtószikrák átkúsznak a szigetelőtesten A kúszószikraköz előnye, hogy ha az égéstermék-maradványok a szigetelőtalpra lecsapódnak, akkor azokat a kúszó szikrák leégetik, így itt kevésbé képződhetnek sönt utak.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Felépítése Szikrahelyzet Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Felépítése Szikrahelyzet Szikrahelyzeten a szikraköz elhelyezkedését (a szikraképződés helyét) értjük az égéstérben. A villamos szikráknak ott kell átugorniuk, ahol az áramlási viszonyok különösen kedvezőek. Az elektród és a szigetelőtest elhelyezkedésétől függően a villamos szikra többé vagy kevésbé kiálló pozícióból gyújtja meg a levegő/üzem¬anyag keveréket. A szikrahelyzetet a gyertyaház homlokfelületére vonatkoztatjuk Kissé előretolt szikrahelyzet A régebbi motortípusoknál alapkivitelnek számította kissé (1 mm) előretolt szikrahelyzet. A keverék ebben az esetben még jól hozzáfér a szikraközhöz. Visszahúzott szikrahelyzet A visszahúzott szikrahelyzetű gyújtógyertyákat a verseny- és a különleges motorokban alkalmazzák. A szikraköz a gyertyaházban van, ezáltal a hőfelvétel az égéstérből jelentősen csökken. Ennek az az előnye, hogy az ilyen gyertyák verseny közben nem hevülnek túl. Hosszabb alapjáratnál kedvezőtlen esetben a gyertyák bekormozódásával kell számolnunk.
Aktuátorok Gyújtógyertyák Felépítése Szikrahelyzet Automatizálási tanszék Gyújtógyertyák Felépítése Szikrahelyzet Előretolt szikrahelyzet A normális mértékben (3 mm) előretolt szikrahelyzet a korszerű motoroknál szokásos. A szikraköz a kissé előretolthoz viszonyítva határozottan beljebb nyúlik az égéstérbe. A keverék kedvezőtlen feltételek mellett könnyebben meggyullad. A középelektród hőterhelése az anyag és a szigetelőtest talpformájának megfelelő megválasztásával uralható.
Gyújtótekercs (Gyújtótranszformátor) Aktuátorok Automatizálási tanszék Gyújtótekercs (Gyújtótranszformátor) Felépítése A gyújtótekercs házában levő mágneses köpenylemezek külső erővonal vezetőként szolgálnak. A szekunder tekercset közvetlenül a lemezelt vasmagra tekercselik és a magon keresztül elektromosan a fedél közepén levő kivezetéshez kötik. Mivel a vasmag nagyfeszültségen van, a fedéllel és a tekercs fenekén elhelyezett szigetelő alátéttel el kell szigetelni. A primer tekercs kívül, a szekunder tekercs felett helyezkedik el. A szigetelőanyagból készült fedélen a 4 jelű, nagyfeszültségű kivezetésre nézve szimmetrikusan két kapocs van: a 15 jelű az akkumulátorhoz, az 1 jelű a gyújtásmegszakítóhoz csatlakozás céljára. A tekercsek mechanikai rögzítését és szigetelését bitumen öntőmassza adja. Vannak olajtöltésű gyújtótekercsek is. A veszteségi teljesítmény főként a primer tekercsben képződik. A veszteséghőt a köpenylemezek a házhoz vezetik, amelynek széles rögzítő kengyele a hőt a karosszériához vezeti.
Gyújtótekercs (Gyújtótranszformátor) Aktuátorok Automatizálási tanszék Gyújtótekercs (Gyújtótranszformátor) Feladata A gyújtási időpontban a 4 jelű kapcson (a gyújtótekercs nagyfeszültségű kivezetésén) a feszültség megközelítően a szinusz függvénynek megfelelően emelkedik. A növekedés sebességét a szekunder induktivitás és a 4 kapocs kapacitív terhelése határozza meg. Amikor a feszültség a gyertyán az átütési feszültség értékét eléri, akkor a gyertya égési feszültségértékére esik vissza, és a gyújtótekercsben tárolt energia a gyújtószikrába áramlik. Amint az energia a szikrakisülés fenntartására már nem elegendő, a szikra kialszik, és a maradék energia a gyújtótekercs szekunder körében lecseng. A nagyfeszültség polaritása olyan, hogy a gyertya középelektródja a járműkarosszériához képest negatív. Fordított polaritás esetén a feszültségigény nagyobb lenne. A gyújtótekercset általában takaréktranszformátorként alakítják ki, úgy hogy a szekunder oldal a 15 vagy 1 jelű kapocshoz csatlakozik. A primer és a szekunder tekercselés tipikus áttétele 1:100. Az indukált feszültség, a szikraáram és a szikraidőtartam mind a tárolt energiától, mind a szekunder induktivitástól függ.
Gyújtótekercs (Gyújtótranszformátor) Aktuátorok Automatizálási tanszék Gyújtótekercs (Gyújtótranszformátor) Teljesen elektronikus gyújtás A teljesen elektronikus gyújtás teljesíti az elektronikus gyújtás funkcióit és nincs gyújtáselosztós, forgó nagyfeszültségelosztója. Előnyei Lényegesen csekélyebb az elektromágneses zavarszint, mivel árnyékolatlan szikra nem képződik, nincsenek forgó alkatrészek, csendesebb, kevesebb a nagyfeszültségű csatlakozás.