A dízelmotorok és adagolórendszereik fejlődéstörténete
A dízelmotor belső égésű motor, amelynek működési elvét a német Rudolf Diesel szabadalmaztatta 1893. február 23-án. Rudolf Diesel 1885-ben kezdte el tervezni kompressziógyújtású, vagyis a sűrítés során fellépő hő hatására begyulladó üzemanyaggal működő belsőégésű motorját. Az új technika akkor még nem a benzinmotorral indult csatába, Diesel a korabeli ipart még mindig uraló gőzgépeknél akart hatékonyabb, gazdaságosabb hőerőgépet készíteni. A dízelmotor születésnapja 1893. A dízelmotor szerkezetében hasonlít a nála ismertebb mechanizmusú benzinmotor (Otto-motor) felépítéséhez, hiszen alapvetően mindkettő henger(ek)ből, dugattyú(k)ból, főtengelyből, kiegyenlítő-tömeg(ek)ből, vezérműből, szelepekből stb. épül fel.
A dízelmotor működési elve és korai alkalmazása
A fő különbség, hogy a dízelnél a tüzelőanyag (leginkább gázolaj) gyújtószikra segítsége nélkül, a legalább hússzoros kompresszió (légsűrítés) miatti felmelegedés hatására öngyulladással ég el és végez munkát a hengerben. A dízelmotor tiszta levegőt szív be és azt sűríti össze. A nagy nyomás miatt a levegő felmelegszik. Ebbe a forró levegőbe az adagolószivattyú dízelolajat fecskendez be, amely magas hőmérsékleten külön gyújtóberendezés (gyertya) nélkül meggyullad, elég. Keverékképzése az úgynevezett minőségszabályozás elvén működik, azaz a beszívott levegő mennyisége azonos, csak a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége változik. Ezzel szabályozható a fordulatszám. Az első kísérleti motorok növényi olajjal üzemeltek; később vetődött fel a petróleum és foltbenzin gyártás hulladékaként keletkező „dízelolaj” használatának lehetősége.
Nehézkessége és nagy mérete miatt lassan nyert teret alkalmazása, kezdetben csak stabil motorként használták, generátorok meghajtására. Jonas Hasselman svéd mérnök 1904-ben feltalálta az irányváltós motort, ami hajómotorként történő alkalmazását is lehetővé tette. Később vasúti vontatóknál is elterjedt a dízelmotor. 1924-től csatlakozott a Ganz dízelprogramjához Jendrassik György is. 1927 és 1947 között Ganz-Jendrassik néven kerültek forgalomba ezek az erőgépek. A második világháborúban a T-34 harckocsik dízelmotorja jelentősen nagyobb hatótávolságot tett lehetővé, mint a vetélytársak benzinmotorja, jelentősen kisebb tűzveszély mellett.
A dízelmotorok fejlődése lassan ment végbe és a gépkocsi közlekedés számára csak 1920 után vált alkalmassá. A sűrített levegővel történő tüzelőanyag beporlasztása ugyanis a gépkocsi üzemi követelményeinek nem felelt meg. Erre csak a szivattyús befecskendezés tette alkalmassá. Egészen az 1970-es évekig dízelmotorokat szinte kizárólag generátorokba, hajókba és haszongépjárművekbe szereltek. Személyautókban ez az erőforrás ritka kivételnek számított. Az 1970-es évekig ezzel együtt lényegében megingathatatlan maradt az az elképzelés, hogy a benzinmotorok a személygépkocsiknak, a dízelmotorok pedig a teherautóknak és a munkagépeknek valók.
Az adagolórendszerek fejlődése
A befecskendező szivattyúkra vonatkozó elképzelések Alan és Charlton nevéhez fűződnek. Ez a szivattyú tette lehetővé a kis hengerátmérőjű, nagyobb fordulatszámú dízelmotorok készítését, valamint az indítási nehézségek kiküszöbölését. Ezzel vált a dízelmotor alkalmassá a stabil vasúti- és hajómotorokon kívül kisebb járművek meghajtására is. Az első, költségtakarékosabb lehetőség a káros anyagok belsőmotorikus csökkentése, melynek során pl. magasabb befecskendezési nyomással, nagyobb arányú és hűtött EGR-rel (exhaust gas recirculation) (kipufogógáz-visszavezetés), magasabb töltőnyomással (turbo nyomással), nagyobb töltőlevegő-hűtővel (Intercooler), optimálisabb égéstér-geometriával, belső örvényléssel (drall), alacsonyabb sűrítési viszonnyal mérséklik a káros anyagok keletkezését.
Útmutató a Nissan Terrano 2700 dízel vezérléséhez
A Bosch és a sorozatgyártású adagoló
Az első, a gépjárműipar számára sorozatgyártásba kerülő dízel befecskendező rendszer Robert Bosch nevéhez fűződik, 1927-ben. Ez a rendszer akkor még egy olajozószivattyúból átalakított, soros rendszerű adagolóból és porlasztócsúcsokból állt. Ettől az időponttól datáljuk az adagoló megszületését. Az adagoló feladata a rendszerben az, hogy az üzemanyagot a tankból egyesével a hengerenként beépített befecskendező egységekhez, porlasztókhoz juttassa, amik a befecskendezéskor azt a motor égésterébe porlasztják. Ahhoz, hogy a porlasztás létrejöjjön, az adagolónak a megfelelő porlasztóhoz a megfelelő nyomáson a megfelelő üzemanyag mennyiséget kell eljuttatni a megfelelő időben.
Két alapvető típust különböztethetünk meg, a soros és a forgóelosztó adagolót.
Soros adagolók
A soros adagolókra három fő, funkcionális részegység jellemző, a szivattyú, a regulátor és a tápszivattyú. A tápszivattyú általában a szivattyú oldalán keresendő egység, melynek feladata a gázolaj tankból a szivattyúig történő eljuttatása. A szivattyú a hengerenkénti nyomócsöveken keresztül juttatja el az üzemanyagot a porlasztókhoz. A regulátor pedig a szabályzásért felelős részegység. Alapvető különbségek a szabályzási megoldások között vannak, ezek fejlődése jelentette az adagoló típus fejlődését is egyben. Sokáig mechanikus szabályzás létezett csak, és a felhasználási terület (közúti közlekedés, munkagépek, stabil alkalmazás) szerint alkalmazták az egyes szabályzó egységeket. A 90-es évek elejétől lehet találkozni elektronikus szabályzású soros adagolókkal, viszont már csak Bosch vagy Zexel kínálatában. A nagynyomású rendszerek megjelenésével a soros adagolók gyártása a nagy gyártóknál teljesen leállt, viszont épp a speciális felhasználási területek miatt a dízel műhelyeknek a mai napig munkát adnak.
Forgóelosztó adagolók
A forgóelosztó rendszerű adagolók kezdetben csak kisebb teljesítményű járművekbe kerültek. A soros adagolóknál jóval kisebb mérete széles körű felhasználhatóságot tesz lehetővé a személygépjárművek körében is. A teljesítményigény növekedése, valamint a környezetvédelmi előírások szigorodása tette szükségessé előbb az elektronikus majd a programozott szabályzás bevezetését. A teljesítmény fokozásnak köszönhetően az alkalmazási területük a személyautóktól kezdve a mezőgazdasági és egyéb munkagépeken át a kamionokig terjed. A nagynyomású rendszerek megjelenésével a forgóelosztó rendszerek fejlesztése is leállt, elvétve kisszériás gyártásuk még előfordul. A Bosch 1975-től kezdte el gyártani azt a rendszert, ami a soros szivattyú helyett az elosztószivattyún alapult. Az új technológia végre jelentősen csökkentette a dízel hajtásláncokhoz kapcsolódó magas költségeket. A számok jól szemléltetik az új technológia sikerét: 1975-ig ugyanis a Bosch évente mintegy 550 000 soros szivattyút gyártott, tíz évvel később az elosztószivattyúból viszont már 2,8 milliót.
Mi az a közös nyomócsöves üzemanyag-befecskendezés? 🔧
Közvetett és közvetlen befecskendezés
Eleinte a kisebb járműveknél alkalmazott dízelmotorok közvetlen befecskendezésű kivitelben készültek. Ezeket a kemény járás és az adagoló rendszerrel szembeni érzékenység jellemezte. Nagyrészt e hátrányok kiküszöbölését szolgálták az osztott égésterű dízelmotorok. A régebbi rendszerű örvény- és előkamrás dízelmotoroknál az égéstér osztott volt: az egyik térrészbe szívta be a motor a levegőt és a kipufogás is innen történt, a másik térrészben pedig a porlasztó helyezkedett el. A kamra egy öntvény, ami köré ráöntik az alumínium hengerfejet, az égés konkrétan itt zajlik le és nem a hengerben. A konstrukció előnye a simább járás, a porlasztó egyszerűsége, így olcsósága. Hátránya viszont akad bőven. Hidegben a kamrások hátránya pont a kamra és annak nagy belső felülete, ami a sűrítéskor megtermelt hőt rögtön elvonja indításkor, ezért kompenzálni kell egy izzítógyertyával.
Dízel üzemanyag összehasonlítás
A közvetlen befecskendezéses dízelek legfőbb előnye a kamra hiánya, azáltal az izzítás fogalma szinte lényegtelen. A kamra hiányában gyorsabb gázreakciót nyújt. A járműiparban már általánosan alkalmazott dízel befecskendezéses technológia. A korszerű, közvetlen befecskendezéses dízelek hengerfeje teljesen sík, az égéstér nem más, mint egy, a dugattyúban kialakított szimmetrikus üreg. Itt sűrűsödik össze és forrósodik fel a turbó által benyomott levegő. A forró levegőbe érkezik a rendszerint középen elhelyezett befecskendező fúvókából a gázolaj, majd rövid töprengés után meggyullad és elég. Az 1990-es évek második felétől a VW csoport kifejlesztette az adagoló fúvókás turbó dízel injektoros rendszert. Maga a PD betűk az adagoló-porlasztó egységre utalnak (Pumpe-Düse). Ez ennek a dízel rendszernek a lelke. Az adagoló porlasztó biztosítja a megfelelő dízel üzemanyag nyomást, és juttatja be azt az égéstérbe. A PD kombinált hajtású: mechanikusan a vezérmű tengely, elektronikusan a motorvezérlő egység hajtja meg. Bár a PDTDI rendszer megbízható konstrukció mégis csak a VW csoport járműveiben terjedt el.
Common Rail forradalom
Ez az 1990-es évek közepére változott meg a common rail (közös nyomócsöves) technológia bevezetésével és elterjedésével. Ezzel a dízelmotorok a benzinmotorok egyenrangú társává, sőt vetélytársává váltak. Az eredetileg Fiat által kifejlesztett common rail rendszert mára szinte az összes gyártó átvette, és többféle elgondolás alapján fejlesztette tovább. Az első közös nyomócsöves dízelautó megint csak olasz kocsi volt: az 1997-es Alfa 156-osban bemutatott első JTD motor. A common rail motorokat a FIAT fejlesztette ki (JTD), majd a Bosch megvásárolta a licencet 1997-ben. A ma eladott dízelek 90 százaléka common rail rendszerű. A TDCi, CDI, DCI, CDTI, CRDI, HDI megjelölések valójában mind common rail rendszerre utalnak. A common rail változatok legismertebb fejlesztői és gyártói a Bosch, Siemens, Delphi, Denso.
A Common Rail befecskendező rendszerben egy fogasszíjjal hajtott, vagy közvetlenül a vezérműtengely végére szerelt nagynyomású szivattyú hozza létre a befecskendezéshez szükséges irtózatos nyomást. Ehhez kapcsolódik a „közös cső”, ami egy vasdarab, a közepén egy furattal. A rendszerben folyamatosan stabil nyomásviszonyok uralkodnak. Az új technikával még precízebb lett az üzemanyag adagolása, sőt: megnyílt a lehetőség az egy munkaütem során többszöri befecskendezésre, így a nagy erő és a takarékosság mellett a finom járáskultúra is megjelent végre. A gyártók egymásra licitáltak a befecskendező-nyílások számával (finomabb porlasztás) és az 1350-ről idővel 2500 barig emelt befecskendezési nyomással.
A PDTDI és a common rail dízel között a legfontosabb különbség az üzemanyag nyomás létrehozásában és szabályozásában van. A common rail egy közös nagynyomású szivattyúval hozza létre az üzemanyag nyomást, míg a PDTDI hengerenként valósítja meg.
Emissziós kihívások és megoldások
A dízelmotor a benzinessel ellentétben jelentős mennyiségű kormot és nitrogén-oxidot bocsát ki. Ennek megértéséhez fontos tudni a lényegi különbséget a levegő-üzemanyag keverékképzés folyamatában. A dízelmotornál a befecskendezés röviddel a FHP (felső holtpont) előtt történik és a magas hőmérséklet hatására a befecskendezett üzemanyagsugár külső felülete szinte azonnal égni kezd. Az égés előrehaladtával meggyullad az üzemanyagsugár belseje is. A belső rész égéséhez viszont nincs már elég oxigén, mivel az a külső burok égésekor elhasználódott. A magas koromkibocsátás erre a lokálisan dús égésre vezethető vissza. A magas nitrogén-oxid kibocsátást főleg a lokálisan magas hőmérséklet okozza, amelynek hatására a levegőben található nitrogén és oxigén egymással reagálva nitrogén-monoxidot (NO) hoz létre amely később részben nitrogén-dioxiddá (NO2) oxidálódik. Az ezen az úton képződött NO-t termikus NO-nak hívjuk és a folyamatot a Zeldovich-képlet írja le. A termikus NO teszi ki a NO kibocsátás 90-95%-t.
Üzemanyagtank méret - Smart Forfour 454
A második lehetőség a káros anyag kibocsátás motoron kívüli csökkentése, kezelése. Elsőként említendő a két utas oxidációs katalizátor, ami a CO es HC kibocsátás csökkentésére szolgál. A következő lényeges eleme a dízelmotorok károsanyag-kezelő rendszerének a részecskeszűrő (DPF - Diesel Particulate Filter), mely a kipufogógázban található részecskéket - főleg kormot - szűrik ki. A koromszűrő lényegesen egyszerűbb: egy hosszú fémhengerből áll, a belsejében vékony, kacskaringós járatokkal, melyekben megmarad a korom. Ennek főképp a kiégetése jelent gondot, hiszen egy idő után eltömődik. Erre az autógyártók különböző módszereket dolgoztak ki. Hosszan tartó, közel állandó közepes vagy magas fordulatszám esetén (például autópályán történő haladáskor) felmelegedne annyira a kipufogó, hogy a korom magától kiégjen, de ha erre nincs lehetőség, a motorvezérlés mesterségesen hevíti túl a motort. Ilyenkor az összes elektromos fogyasztót bekapcsolja és a befecskendezést az optimálistól eltérően időzíti, hogy a kipufogógázok hőmérséklete minél nagyobb legyen.
A dízel károsanyag-kezelés utolsó fontos eleme a NOx kibocsátás csökkentése. Ez történhet SCR katalizátorral vagy NOx tároló katalizátor segítségével, mely megköti szegénykeverékes üzemben a kipufogógáz NOx-t és dús üzemállapotban redukálja N és CO2-vé. Az SCR-technológia során a kipufogógázt egy katalizátorba vezetik, ahol egy különleges folyadékot (AdBlue) adnak hozzá. Ezáltal a motor beállításai lehetnek olyanok, hogy ne kormoljon, mert a nagyobb mennyiségben kibocsátott egyéb káros anyagok a katalizátorban átalakulnak.
A dízelmotorok előnyei és hátrányai a fejlődés során
A dízelmotorok azért tudtak főképp a teherszállításban előretörni, mert a benzinmotorokhoz képest alacsonyabb a fajlagos fogyasztásuk. Ez a szerkezeti sajátosságokból adódik: a nagyobb (kb. 1:20) kompresszió jobb termodinamikai hatásfokot tesz lehetővé, azonos lökettérfogatú benzin- és dízelmotorok közül a dízel - jobb hatásfoka és az üzemanyag magasabb hőértéke miatt - kevesebbet fogyaszt. A felsorolt hatásfok előnyök következtében a személygépkocsi dízelmotorok fajlagos tüzelőanyag fogyasztása átlagosan 25-27 %-kal kisebb a benzinüzeműekéhez viszonyítva. A common rail technológia megnövelte a lökettérfogat/teljesítmény arányukat, és kényelmesebbé tette az üzemeltethetőségüket. A szívódízel motorok tényleg sokat túlélnek. Tartósságuk egyik oka a vasblokkok bőséges méretezése és hogy sokkal kisebb befecskendezési nyomással működnek.
| Előnyök | Hátrányok |
|---|---|
| Alacsonyabb üzemanyag-fogyasztás | Keményebb járás (korábban) |
| Nagyobb lökettérfogat/teljesítmény arány (modern) | Érzékenység az adagoló rendszerrel szemben (korábban) |
| Előretörés a teherszállításban | Drágább gyártás (az Otto-motorokhoz képest) |
| Hosszú élettartam (különösen szívódízel motorok) | Korom és nitrogén-oxid kibocsátás (modern technológiákkal csökkenthető) |
Speciális alkatrészek és indítási segédeszközök
A motor felépítése is más, mert azt kell elviselnie, amitől a benzinmotor csapágyai, dugattyúi és hengerfejtömítései kiolvadnak, illetve szétégnek: az öngyulladásos égést. Ezért aztán a csapágyak más anyagból készülnek, a hengerfejtömítés erősebb (kamionokon még így is gyakran ez a motor gyenge pontja), a főtengely anyaga, szerkezete és edzése is a lökésszerű terheléshez van méretezve - bár egy jól beállított dízelmotor nem fejt ki nagy lökést gyulladáskor. Ezt az úgynevezett gyulladási késedelem helyes beállításával lehet elérni. A gyulladási késedelem a tüzelőanyag befecskendezése és az égés kezdete közötti idő. Optimális esetben ez az érték nagyon kicsi, az égés hamar indul meg és fokozatosan zajlik le.
A legnagyobb különbség azonban a hengerfejekben mutatkozik: míg a benzinmotoroknál az égéstér kialakítása viszonylag egyszerű, a dízelmotor égéstere bonyolultabb formájú. Az izzítógyertya indítás előtt melegíti az égésteret, hogy a befecskendezett gázolaj az izzítógyertyával egyáltalán nem érintkezve (a különben alacsony sűrítési véghőmérséklet ellenére is) meggyulladjon. Általános tévhit, hogy az izzítógyertya minden indulásnál, és minden hőmérsékleten izzít. A legtöbb autóban (még a 20 évesekben is), ha a hűtőfolyadék hője eléri a 15 Celsius-fokot, akkor nem következik be az izzítás. Bizonyos alkalmazásokban (pl. hajók, vonatok, teherautók) nem alkalmaznak izzítógyertyát. Ez azért lehetséges, mert az égéstér osztatlan (MAN, Sauer, MAN-HM, Hesselman stb.), így az üzemanyag több része közvetlenül a felforrósodott levegőhöz ér. Beindítása, főleg hideg időben nehézkes, régen a teherautók alá tüzet raktak.
Az üzemanyag ellátásban fontos szerepet játszik az üzemanyag szűrő sok esetben 2-3 menetben történik a szűrés, különböző micron számú szűrőkkel, vízjelzővel, vízleválasztóval. Hidegebb munkaterületeken alkalmazhatnak az izzító gyertya mellett gázolaj előmelegítőt, vagy olyan szűrőházat, amiben előmelegítőt helyeznek el.
A Turbó (levegő töltő) a motoroknál a beszívott levegő megegyezik a hengerűrtartalommal, egy állandó, nem változtatható érték, és határt szab a teljesítménynövelésnek. A turbó viszont többlet levegőt juttat a hengerekbe egy turbina segítségével, amit a kipufogó gáz hajt. Az Intercooler (töltőlevegő-hűtő) a turbó üzem melegen, 1000C° is lehet így a beszívott levegő felforrósodik, megtágul. Ritkább lesz, vagy kevesebb lesz benne az oxigén, így kevésbé hatékony az égés. Ennek a ritka levegőnek a visszahűtésére szolgál a levegő visszahűtő.
Dízelmotorok a versenysportban
A dízelmotoroknak sokáig csak a teherautókban, autóbuszokban és taxikban volt létjogosultságuk, azonban a common-rail technológia, a változtatható geometriájú turbófeltöltő és a piezotűs adagoló lehetővé tette, hogy viszonylag nagy fordulatszámra képes, tömegükhöz képest magas teljesítményű dízelmotorok épülhessenek. Ezek azonban pörgősségben még mindig nem veszik fel a versenyt az Otto-motorokkal, így rövidtávú versenyeken egyelőre nem szerepelnek. Hosszútávú futamokon azonban, ahol az üzemanyag-fogyasztás döntő fontosságú, már van esélyük. Az első fontosabb eredményt 1998-ban egy BMW 320d érte el, mikor is megnyerte a 24 órás nürburgringi futamot. Öt évvel később a Dakar-ralin a Volkswagen gyári csapata indított 1.9-es TDI-motorral szerelt Touaregeket, majd 2004-től nagyobb hengerűrtartalmú (2.5 literes), de azonos technikájú dízelmotorral futó Race Touaregeket.
A Volkswagen-konszern máshol is igyekszik kihasználni a dízelmotorok előnyeit: a Le Mans-ban addig ötször diadalmaskodó Audi-csapat TFSI-motoros R8R-jeit TDI-motoros R10-esek váltották a 2006-os versenyen. Eleinte mindenki kíváncsi volt, vajon az alacsonyabb fogyasztás behozhatja-e a dízelmotor teljesítményhátrányát, de a 8-as rajtszámú, Frank Biela-Marco Werner-Emanuele Pirro trió által vezetett autó győzni tudott. Egy évvel később már ellenfelük is akadt a szintén dízelmotoros Peugeot 908 FAP "személyében", ami ráadásul újabb lépésként a koromszűrőt is bevezette a versenypályára. Az Audi csapata azonban ismét győzni tudott ugyanebben a felállásban. A 2008-as szezonban a gázolajos versenyautók újabb sorozatban jelentek meg: a WTCC-ben indultak TDI-motoros Seat Leonok, szintén a VW-csoport akciójának részeként, és megnyerték a világbajnoki címet mind a konstruktőri, mind az egyéni versenyben.