A dízelmotorok elektronikus vezérlése: Égési folyamat és befecskendező rendszerek
A dízelmotorok, mint belső keverékképzésű motorok, az égési folyamat elindításához külső energiára nem igényelnek. Az ehhez szükséges nagy hőmérséklet eléréséhez az Ottó-motoroknál nagyobb kompresszió viszonnyal működnek (ε=16-24). Emiatt az előállításuk drágább, az anyag és megmunkálási költségek magasabbak, viszont hatásfokuk jobb. Szabályzásuk minőségi, így részterhelésen is jobb hatásfokkal rendelkeznek.
A dízelmotorok égési folyamata
A Diesel-motorok keverékképzése alapvetően meghatározza az égési folyamat lefolyását. Diesel-motoroknál az égést a kompresszió során felmelegedő közeg (levegő) párologtatja el az - általában a felsőholtpont előtt - befecskendezett tüzelőanyagot és gyújtja meg a levegő-tüzelőanyag keveréket. Mind a tüzelőanyag elpárologtatásához, mind annak keverékképzéséhez és égéséhez az Ottó-motorokhoz képest igen jelentős időre van szükség.
A Diesel motorok égési folyamatát általában két részre osztjuk. Az égés kezdetén az égési késedelem miatt felhalmozódott és elpárolgott tüzelőanyag a nagy légfelesleg mellett gyors, jól előkevert égése zajlik le. Ezt a szakaszt nevezzük kinetikus-, vagy előégésnek. A második szakasz a diffúz- vagy főégés. Ebben a szakaszban a porlasztóból kilépő tüzelőanyag keresztülhalad a már elégett keveréken, ahol annak párolgási folyamata zajlik, majd ebből a térfogatból kikerülve keveredik részben levegővel. Ebben a szakaszban az égés lényegesen lassabb.
Minél nagyobb a gyulladási késedelem, annál több tüzelőanyag jut az égéstérbe az égés kezdete előtt. Így amikor beindul az égés nagymértékű hőfelszabadulást állít elő, melynek következménye kemény égési zaj, ami mechanikai túlterhelést eredményezhet.
Égési folyamat optimalizálása elektronikus vezérléssel
A Diesel-motorok fejlesztése során számos módszert dolgoztak ki az égési folyamat optimalizálására. A korszerű rendszerek ma már lehetőséget adnak a többszörös befecskendezésre, amely kulcsfontosságú a hatékony és környezetbarát működés szempontjából.
Előbefecskendezés és a gyulladási késedelem csökkentése
Az előbefecskendezés során a fő dózis befecskendezése előtt egy kisebb tüzelőanyag dózist juttatnak az égéstérbe. A befecskendezett tüzelőanyag égése a gyulladási késedelem után beindul. Ennek hatására a fődózis gyulladási késedelme jelentősen csökken, így nem tud nagy mennyiségű tüzelőanyag elpárologni és felhalmozódni az égéstérben, azaz az előkevert égési szakasz intenzitása csökken.
A korszerű Common Rail rendszerek további lehetősége a korai előbefecskendezés. Ebben az esetben lényegesen korábban szintén egy kisebb tüzelőanyag dózist juttatnak az égéstérbe. Ez a tüzelőanyag nem feltétlenül a befecskendezés után ég el, hanem jelentős késéssel is eléghet. Segítségével egy belső füstgáz visszavezetést lehet megvalósítani, egy tüzelőanyagban szegény homogénhez közelítő égési folyamat zajlik le, amely elkészíti az égési folyamatot.
Utó-befecskendezések és a károsanyag-kibocsátás
Szintén a Common Rail rendszerek lehetősége az utó-befecskendezések alkalmazása. A fő dózis után befecskendezett kisebb tüzelőanyag segítségével a részecske kibocsátás csökkenthető a kiégési folyamat növelésével. Ehhez kapcsolódik a kései utó-befecskendezés, amely célja elsősorban a füstgáz hőmérséklet növelése, ezzel a részecskeszűrő regenerálása.
A dízel befecskendező rendszer elemei
Tekintsük át a befecskendező rendszer elemeit, melyek együttműködése meghatározza a fenti folyamatokat. A tüzelőanyagot a szállító szivattyú - általában két, durva és finom-szűrő után - jutatja el az adagoló szivattyúhoz. A tüzelőanyag bejuttatására az égéstérbe, valamint annak jó porlasztásához nagy tüzelőanyag nyomásra van szükség. Az adagolószivattyú után a tüzelőanyag az adagoló vezetéken keresztül jut el a porlasztókhoz. A porlasztók a befecskendező rendszernek legutolsó tagjai, összekötő kapcsok a befecskendező rendszer és a motor között.
Befecskendező rendszerek típusai
A dízelmotorok üzemanyag-befecskendezési rendszerei az idők során jelentős fejlődésen mentek keresztül, egyre nagyobb nyomást és precízebb elektronikus vezérlést biztosítva.
Hagyományos soros adagoló szivattyúk
A hagyományos adagoló szivattyúk általában dugattyús szivattyúk. A soros, állandó löketű adagoló szivattyúnál a motor minden egyes hengeréhez külön elemi dugattyús rendszer tartozik. A dugattyúk mozgatásáról egy bütykös tengely gondoskodik. Ezen a tengelyen a bütykök a befecskendezés sorrendjének megfelelően mozgatják a dugattyúkat. A dugattyúk a mozgás tengelye körül elforgathatók. A dugattyú palástján lévő hornyok és a hengerperselyen lévő furatok segítségével az elforgatással vezérelhető a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége. A dugattyúk elforgatása fogasléc segítségével történik, így biztosítható, hogy mindegyik hengerbe egyforma dózis kerüljön.
A dugattyú alsó helyzetében a tápszivattyú által szállított tüzelőanyag feltölti a hengerteret. A dugattyú felfelé mozdulása elzárja a hengerpersely furatait, megkezdődik a szállítás. A dugattyú addig szállít, míg a palástján kialakított spirál hornyon keresztül a tüzelőanyag el tud folyni az elfolyó csatornán, ekkor megszűnik a szállítás. Kialakítható egy olyan horony is, amely a megfelelő dugattyú elfordulás esetén folyamatosan nyitva tartja az elfolyó furatot (pl. leállás), így ebben az esetben nincs szállítás. Nyomástartományuk maximum 650 bar.
A soros adagoló szivattyúk általában fel vannak szerelve segédrendszerekkel, és különböző szabályzókkal, mint például alapjárati fordulatszám, maximális fordulatszám és fordulatszám illesztés. Külön rendszernek kell gondoskodni a szállítás kezdet állításról, ennek egyik legegyszerűbb megoldása a röpsúlyos tengelykapcsoló a motor és a befecskendező között. A mai kor követelményeit kielégítő károsanyag-kibocsátást megvalósító elektromos rendszerekhez illeszkedve a típusnak is vannak elektromos szabályzású változatai, ezeknél elektromágnesek segítségével változtatható mind a dózis, mind az előbefecskendezés. Ennek tipikus példája az un. lökettolókás adagoló szivattyú, itt elektromágnes gondoskodik a dózis vezérléshez szükséges fogasléc mozgatásáról, és a lökettolóka mozgatásával a befecskendezés kezdete is szabályozható.
Elosztórendszerű adagoló szivattyúk
Nagy fordulatszámú, kis teljesítményű (kis haszongépjármű, személygépkocsi) motorok igényeit már nem tudják kielégíteni a hagyományos soros adagoló szivattyúk. Főbb okai: az előbefecskendezés nehézkes állítása, elektromos szabályozás nehézkessége, magas költségek. Ebben a kategóriában megfigyelhető az elosztórendszerű adagoló szivattyúk térhódítása, nyomástartományuk általában maximum 700 bar.
Lényeges eltérés a soros rendszerrel szemben, hogy itt csak egy szivattyú elem hozza létre a befecskendezési nyomást, miközben forgó mozgást is végez. Ezzel határozza meg furatok segítségével, hogy mely hengerbe történjen a befecskendezés. Az adagoló szivattyú tengelyéhez egy axiális elmozdulást engedő tengelykapcsolóval csatlakozik a dugattyú. Ennek egyik vége a kisnyomású térben lévő körhagyó-bütyköstárcsa. Ezt a tárcsát rugók nyomják a görgőkoszorúra. A rajta elgördülő bütykös tárcsa kényszeríti tengelyirányú (pumpáló-) mozgásra a dugattyút.
Tapasztalatok a Peugeot 405 dízel kombiról
A befecskendezési ütem során a bütykös tárcsa hatására a dugattyú elkezd kifelé mozogni, ezzel először elzárja a hozzáfolyó csatornát, ezután az axiális és az arra merőleges furaton keresztül megkezdődik a szállítás. A szállítás addig tart, míg a szabályzó gyűrű szabaddá nem teszi az axiális furat végén lévő elengedő furatokat.
A rendszerek is fel vannak szerelve segédrendszerekkel, mint tápszivattyú, valamint különböző szabályzó és vezérlő rendszerekkel, mint például alapjárati fordulatszám, maximális fordulatszám, fordulatszám illesztés, hideg indítás, feltöltési nyomásszabályozás.
Radiál dugattyús elosztórendszerű adagoló szivattyúk
A radiál dugattyús elosztórendszerű adagoló szivattyú felépítése sok szempontból hasonló a hagyományos elosztó rendszerű adagoló szivattyúhoz, azonban itt nem a dugattyú elem elmozdulása hozza létre a nagy nyomást, hanem a radiális működésű dugattyú elem. Ennek segítségével a maximális befecskendezési nyomása 1100 bar és maximum 50 kW/henger teljesítmény valósítható meg.
A dózis vezérlő szolenoid szelep segítségével lehetőség van a szállítás kezdet és a dózis pontos vezérlésére. Az adagoló szivattyú csak akkor növeli a nyomást, ha a szolenoid szelep zárva van. Ennek segítségével már lehetőség van egyes rendszereknél a kettős befecskendezésre is.
Adagoló-porlasztó rendszerek (EUI)
A minél nagyobb nyomás elérése érdekében terjedtek el az adagoló-porlasztó rendszerek elsősorban a CR rendszerek elterjedése előtt. Az EUI egy dízelmotor típus, amely nevét az Elektromos vezérlésű befecskendezés (Electronically-controlled Unit Injector) angol kifejezésből kapta. Az EUI a common rail rendszer előtt terjedt el olyan ipari motorokban (teherautó dízelmotor, kamion dízelmotor, dízel-elektromos motorvonatok, mezőgazdasági gépek, dízel hajók, stb.) ahol adott hengertérfogat mellett a lehető legnagyobb lóerő leadását kell elérni viszonylag szűk fordulatszám tartomány mellett.
Ezek az adagolóelem és a porlasztó egybeépítésével születtek, minden hengerben egy-egy ilyen elem található, amely dugattyúját többnyire a vezérműtengely működteti. A befecskendezés időpontját és a dózis nagyságát az elektronikusan vezérelt mágnes szelep határozza meg.
Az EUI lelke egy a szivattyúval egybeépített injektor egység. A befecskendezőbe épített dugattyús szivattyú lehetővé teszi, hogy az üzemanyag az injektorig kis nyomáson kerüljön szállításra. Ugyanígy kis nyomású a felesleges üzemanyag visszatérő ága is. Az injektorba épített szivattyú azonban biztosítja a rendkívül nagy nyomású befecskendezést és az üzemanyag ellátás automatizálását a henger égési szakaszában. Az EUI dízel rendszerben a szivattyú és az injektorok közös üzemanyag ellátó és a visszatérő ággal csatlakoznak egymáshoz, így ez a common rail előfutárának is tekinthető, de a közös ellátás nyomása az EUI dízel rendszerben sokkal kisebb. A dízel üzemanyag mindig az EUI befecskendező egységen belül kering. Az EUI dízel rendszert először dízel-elektromos mozdonyokon és hajókon vezették be.
Common Rail (CR) rendszerek
A Common Rail (CR) rendszerek elterjedését az elektronikus szabályzások költségeinek csökkenése és az egyre tovább szigorodó környezetvédelmi követelmények okozzák. Ennél a rendszernél magasabb az előállítható nyomás (2000 bar), így jobb porlasztás valósítható meg, üzemmód függvényében állítható a szelepnyitás, így a befecskendezési karakterisztika. Az előállított nyomás csak kismértékben függvénye a fordulatszámnak.
A rendszer fő elemei a motor által hajtott nagynyomású szivattyú, ami a nagynyomású tüzelőanyagot egy közös gyűjtőcsőbe (Common Rail) juttatja. Innen elektromos szabályzású porlasztók juttatják az égéstérbe. A vezérlőjelének időbeli változásával befolyásolható a befecskendezési törvény. A fenti rendszer kézbentartásához a szabályzó elektronikának nagyon sok, a motor működését leíró paraméter ismeretére van szüksége.
A Common Rail rendszerek generációi
A Common Rail rendszerek generációról generációra fejlődtek, főként a nyomásszabályozás és a hatékonyság javítása érdekében.
- Első generáció: A rail-nyomást a nyomásszabályzó szelep segítségével állítják. A nagynyomású szivattyú a tüzelőanyag-igénytől függetlenül a maximális mennyiségű gázolajat szállítja, és a nyomásszabályzó szelep pedig a fölösleges mennyiséget visszavezeti a tüzelőanyag-tartályba.
- Második generáció: A rail nyomást az alacsony nyomású oldalon az adagoló szelep segítségével szabályozza, így a nagynyomású szivattyúnak csak annyi gázolajat kell szállítania, amennyire a motornak ténylegesen szüksége van. A túl magas rail nyomás biztosításáról a nyomáskorlátozó szelep gondoskodik.
- Harmadik generáció: A második generációs rendszereknél a nyomást csak az alacsony nyomású oldalon lehet szabályozni, a terhelés csökkenése esetén túl hosszú időt vesz igénybe a nyomás lecsökkentése a rail-ben, túl nagy a nagynyomású rendszer tehetetlensége. Ezért a harmadik generációs Common Rail rendszernél az alacsony nyomású oldalon lévő adagoló szelep mellett egy nyomásszabályzó szeleppel egészül ki a rendszer. További előny, hogy hideg üzemmódban teljesen át lehet állni a nagynyomású szabályzásra, így elősegítve a rendszer bemelegedését.
Mi az a közös nyomócsöves üzemanyag-befecskendezés? 🔧
Befecskendező vezetékek
A befecskendező vezeték vagy nyomócső feladata a tüzelőanyag eljuttatása az adagoló szivattyútól a porlasztókig. A nyomócsőben az adagolóból elinduló nyomáshullám jelentős deformációt szenved, ami jelentős hatással lehet a befecskendezési törvényre. Az adagolóból távozó nyomás hullám a csőszakaszra jellemző hangsebességgel halad végig. A befecskendező vezeték kialakításánál számolni kell, hogy a porlasztótól visszafutó hullámok indulhatnak el.
Porlasztók: A precíz tüzelőanyag-adagolás kulcsa
A porlasztók két alapvető része a porlasztótest a befecskendező fúvókával, és a porlasztó tű. A porlasztó tű a porlasztótest furatában könnyen elmozdítható, viszont illesztése révén jól tömít. A tű vége kúposan végződik és a kissé eltérő kúpszögű porlasztótesttel vonalérintkezéssel záródik. Ezáltal jól tömíti az égésteret a tüzelőanyagtól. A porlasztó fúvókákból kilépő nagysebességű tüzelőanyag-sugár ütközik a nagynyomású levegő molekulákkal. Hatására cseppek szakadnak le róla, miközben a sugár szétterül, sebessége csökken.
Porlasztó fúvókák típusai
- Szabályzócsapos befecskendezők: Szabályzócsapos befecskendezők esetében a tű nyitása után a befecskendező furat nem válik teljesen nyitottá, a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége nem csak az égéstér és a befecskendezési nyomás különbségével lesz arányos, hanem befolyásolja a szabályzócsap profilja is. Ezzel el lehet érni, hogy a befecskendezés elején kevesebb tüzelőanyag jusson az égéstérbe, így szabályozva a kinetikus-diffúz égés arányát.
- Lyukporlasztók: A lyukporlasztókban a porlasztó tű elválasztja a motor égésterét a tüzelőanyag rendszertől. A porlasztást a porlasztótest furatai végzik, számuk konstrukciófüggő. Mind a két konstrukciós megoldásnál igen fontos a rugó előfeszítésének pontos beállítása, mind a helyes befecskendezés kezdet és az esetleges lengések elkerülése miatt.
Common Rail porlasztók
A Common-Rail rendszerekben is zárt porlasztókat alkalmaznak, két fő típus az mágnes szelepes, illetve a piezo aktuátoros porlasztók.
- Elektromágneses befecskendezők: Az elektromágneses befecskendezők esetén zárt helyzetben a vezérlőkamra rail-nyomáson van, mivel az elektromágnes aktuátor által mozgatott szervo-szelep lezárja annak eleresztő csatornáját. A befecskendezés kezdetén az aktuátor kinyitja a vezérlőkamra eleresztő csatornáját, a vezérlőkamra nyomása csökken és a felboruló erő egyensúly miatt a fúvókatű kinyit és elkezdődik a befecskendezés. Ez addig tart, amíg az aktuátor ismét le nem zárja az eleresztő csatornát, ekkor elkezd nőni a nyomás a vezérlőkamrában, és zár a befecskendező szelep.
- Piezo aktuátoros porlasztók: A piezo aktuátoros porlasztóknál alkalmazott úgynevezett 2/3-as szervo-szelep segítségével a befecskendezést megelőzően a fúvókát a vezérlőkamrában uralkodó rail-nyomás zárva tartja. A működtető elem vezérlésével kinyit a szervo-szelep és lezárja a megkerülő furatot. A kilépő- és a belépő fojtófuratok átfolyási mennyiségei közötti különbség hatására lecsökken a nyomás a vezérlő kamrában, a fúvóka pedig kinyit. A zárási folyamat bevezetéséhez a szervo-szelep újra kinyitja a megkerülő csatornát. A bemenő és a kilépő fojtásokon való fordított áramlással a vezérlőkamra újra feltöltődik, a vezérlőkamrában pedig megnő a nyomás. A piezo aktuátoros porlasztók kiegészülnek egy un. hidraulikus csatolóval.
Égéstér kialakítás
A fenti rendszereken túl az égéstér kialakítása igen jelentős az égés lefolyásának alakításában.
Előkamrás égésterek
Elsősorban a régebbi személygépkocsik konstrukcióknál használták az előkamrás égéstereket. Az előkamrás égéstereknél a tüzelőanyagot a főégéstértől elválasztott kamrába fecskendezik be, ennek térfogata a kompresszió tér 20-50%-a. A tüzelőanyag beporlasztására nincsenek szigorú feltételek, az előkamra falain létrejöhet tüzelőanyag film. A tüzelőanyag igen kis része ég el kinetikusan, ennek hatásra nem jön létre káros nyomásnövekedés. A tüzelőanyag az elkezdődött égés hatására elpárolog, egy része az előkamrában elég, míg a fennmaradó a nyomás növekedés hatására igen intenzív áramlással a főégéstérbe kerül, ahol keveredve a levegővel elég. Az előkamrás motoroknál a dugattyútetőt úgy alakítják ki, hogy az minél jobban szétterítse az előkamrából kiáramló közeget.
tags: #diesel #elektronikus #vezerles