A Fiat Cinquecento üzemanyag-befecskendező rendszerének működése és felépítése

A dízelmotorok belső keverékképzésű motorok, az égési folyamat elindításához külső energiára nincs szükség. 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. áll. 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. Ehhez szükséges nagy hőmérséklet eléréséhez az Ottó-motoroknál nagyobb kompresszióviszonnyal 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. Viszont a mechanikai hatásfokuk a jelentős veszteségek miatt alacsonyabb.

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 dízelmotor égési folyamata

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 áll elő, minek következménye kemény égési zaj, ami mechanikai túlterhelést eredményezhet.

Az üzemanyag-befecskendező rendszer elemei és működése

Tekintsük át a befecskendező rendszer elemeit, melyek együttműködése meghatározza a fenti folyamatokat.

Fogyasztás optimalizálása Punto 2-nél

A tüzelőanyagot a szállító szivattyú -általában két, durva és finom-szűrő után jut el az adagoló szivattyúhoz. A tüzelőanyag bejuttatására az égéstérbe, valamint annak jó porlasztásához nagy tüzelőanyag nyomásra van szükség. A motor működési körülményeinek megfelelő kompenzálása (pl. terhelés, fordulatszám) érdekében 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.

Adagoló szivattyúk típusai

A hagyományos adagoló szivattyúk általában dugattyús szivattyúk.

Soros, állandó löketű adagoló szivattyú

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 befecskendezés után a visszaszívást az un. elosztócsatorna biztosítja.

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 horonyon 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.

A soros adagoló szivattyúk általában fel vannak szerelve segéd rendszerekkel, és különböző szabályzókkal, mint például alapjárati fordulatszám, maximális fordulatszám és fordulatszám illesztés. Külön rendszernek kell gondoskodni a szállítás kezdet állításáról, 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 az dózis vezérléshez szükséges fogasléc mozgatásáról és az lökettolóka mozgatásával a befecskendezés kezdet is szabályozható.

Felni méret bemutató: Fiat Strada 2001

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, nyomás tartományuk általában max. 700 bar.

Elosztórendszerű adagoló szivattyú

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 görgő koszorúra. A rajta elgördülő bütykös tárcsa kényszeríti tengelyirányú (pumpáló-) mozgásra a dugattyút. 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 segéd rendszerekkel, mint tápszivattyú, valamint különböző szabályzó és vezérlő rendszerekkel, mint például alapjárati fordulatszám, maximális fordulatszám, fordulatszám illesztés, hideg indítás, feltöltési nyomásszabályozás.

Radiál dugattyús elosztórendszerű adagoló szivattyú

A radiál dugattyús elosztórendszerű adagoló szivattyú felépítése sok szempontban hasonló az 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 max. 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.

Grande Punto EGR szelep problémák

Adagoló-porlasztó rendszerek (PDE)

A minél nagyobb nyomás elérése érdekében terjedtek el az adagoló-porlasztó rendszerek elsősorban a CR rendszerek leterjedése előtt. 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.

Common Rail (CR) rendszerek

A Common Rail (CR) rendszerek elterjedését az elektronikus szabályzások költségeinek csökkenése és az egyre tovább szigorodó környezetvédelmi követelmények okozzák. A FIAT a kilencvenes évek közepén fejlesztette ki az első common-rail, azaz közös nyomócsöves dízelmotort. Az első generációs common-rail motorok hengerei egyetlen közös, a hengersor mellett futó csőből kapják a gázolajat, ahol a nyomás nagysága 600 és 1200 bar közötti.

A Common Rail nyomástárolós befecskendező rendszer esetében a nyomás előállítása és a befecskendezés szét vannak választva. A befecskendezési nyomás a motor fordulatszámától és a befecskendezett mennyiségtől függetlenül hozható létre. A nyomás előállítását és a befecskendezést egy tároló térfogat segítségével lehet megvalósítani. A nyomás alá helyezett tüzelőanyag a common rail rendszer nyomástárolójában várja a befecskendezés pillantát.

A kívánt befecskendezési nyomást egy a dízelmotorról hajtott, folyamatosan üzemelő nagynyomású szivattyú állítja elő. Ez a rail-ben kialakuló nyomást a motor fordulatszámától és a befecskendezett mennyiségtől teljesen függetlenül adott értéken tartja. A hozzávetőleg állandó hozamú szállításnak köszönhetően a nagynyomású szivattyú mérete és a hajtó nyomatéka is lényegesen kisebb lehet, mint az a hagyományos befecskendező rendszerek esetében szokásos.

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 első generációjánál a rail-nyomást a nyomásszabályzó szelep segítségével állítják. A nagynyomású szivattyú a tüzelőanyagigénytől függetlenül a maximális mennyiségű gázolajat szállítja, és a nyomásszabályzó szelep pedig a fölösleges mennyiséget visszavezeti az üzemanyag-tartályba.

A 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.

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.

A Common Rail rendszer az elő befecskendezés, illetve a többszörös befecskendezés alkalmazásának köszönhetően lehetővé teszi, hogy tovább lehessen csökkenteni az emissziós értékeket, valamint lényegesen mérsékelhető az égés zajszintje.

Befecskendező vezeték (nyomócső)

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 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.

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 konstrukció függő. Mind a két konstrukciós megoldásnál igen fontos a rugó előfeszítésének pontos beállítása, mind a helyes befecskendezés kezdet, mind az esetleges lengések elkerülése miatt.

A Common-Rail rendszerekben is zárt porlasztókat alkalmaznak, két a fő típus az mágnes szelepes, illetve a piezo aktuátoros porlasztók.

Mágnes szelepes 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 el kezd 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.

Az égéstér kialakítása

A fenti rendszereken túl az égéstér kialakítása igen jelentős az égés lefolyásának alakításában.

Előkamrás égéstér

Elsősorban a régebbi személygépkocsik konstrukcióknál használták. 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 hatására 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.