KORSZERŰ DÍZEL ÉGÉSTEREK ÉS ALKALMAZÁSUK KATONAI GÉPJÁRMŰVEKBEN

Átírás

1 VEZETÉS- ÉS SZERVEZÉSTUDOMÁNY VARTMAN GYÖRGY KORSZERŰ DÍZEL ÉGÉSTEREK ÉS ALKALMAZÁSUK KATONAI GÉPJÁRMŰVEKBEN A belsőégésű motor a hőerőgépek egyik fajtája, melyben a tüzelőanyagot egy alkalmasan megválasztott periodikus munkafolyamatban levő munkaközegben elégeti, és a keletkezett hőt mechanikai munkává alakítja át. Különbséget a továbbiakban a felhasznált tüzelőanyag típusa szerint tehetünk, mely lehet bezinlevegő, gázolaj-levegő, gáz-levegő keveréke. Ma már alternatív hajtóanyagként megjelenik a hidrogén is, kedvező emissziós tulajdonságai miatt. Dízel motoroknál mely motorokat a működési elv feltalálójáról Rudolf Dieselről ( ) nevezték el gázolaj-levegő keveréket égetünk el. Működésének lényege, hogy a beszívott levegő és a beporlasztott gázolaj keverékét komprimálja, melynek eredményeként a zárt térben lévő keverék hőmérséklete megemelkedik, eléri az öngyulladási hőmérsékletet, meggyullad és elég. A dízel motoroknál a keverék a hengertérben alakul ki, ezért belső keverékképzésűek. Az állandó mennyiségű beszívott levegőhöz a motor mindig a terhelésnek megfelelő mennyiségű gázolajat porlasztja, így a keverék minősége változik, tehát minőségi szabályozású. A keverékképzés lehet térfogati vagy hártyás. A térfogati keverékképzésnél a beporlasztás a perdületszívócső segítségével áramlásba hozott levegőbe történik, és így jön létre a gázolajszemcsék és a levegő elkeveredése. Hártyás keverékképzésnél (1. sz. ábra) a beporlasztás a dugattyú (MAN) vagy a henger egy meleg pontjára történik, és a gázolaj onnan fokozatosan elpárologva keveredik el a levegővel. Előfordul ezek kombinációja is. Mivel mindig több levegőt szívunk a hengertérbe, mint amennyi a tökéletes égéshez szükséges, ezért állandó légfelesleggel (α=1,4) üzemel a dízel motor. A légfelesleget α-val jelöljük: a=l val /L elm mely megmutatja az adott mennyiségű gázolaj tökéletes elégetéséhez szükséges levegőmennyiség (L elm ) és a valóságosan beszívott levegő mennyiség (L val ) arányát. Ha α>1 akkor több levegő áll rendelkezésre, mint amennyi szükséges a tökéletes égéshez.

2 Az égési folyamat eredményeként maximális teljesítményt, minimális fajlagos fogyasztást és károsanyag-kibocsátást szeretnénk elérni a motornál. A cikkben az igen bonyolult égési folyamatot részletesebben nem vizsgálom, csak az égéstérkialakítások hatásait szeretném elemezni. Ahol lehet, utalok a katonai alkalmazásokra, és ennek során a legfőbb jellemzőkre. 1. sz. ábra. Hártyás keverékképzés (MAN) ÉGÉSTEREK CSOPORTOSÍTÁSA A csoportosítás alapelve az égéstér kialakítás helye és alakja szerint történik. A kialakítás helye adja a két fő csoportot, mely szerint lehet osztott (közvetett befecskendezésű) vagy osztatlan (közvetlen befecskendezésű). Az osztott égéstereknél a beporlasztás nem közvetlenül a hengertébe, hanem egy a hengerfejben kialakított kamrába történik. A további felosztást ezen kamra alakja szerint tehetjük meg. A kamra alakja szerint megkülönböztetünk: előkamrás; örvénykamrás és légkamrás dízel motorokat.

3 Az osztatlan égésterű motoroknál a beporlasztás közvetlenül a hengerbe történik. A további csoportosítást aszerint tehetjük meg, hogy az égéstér a dugattyúban van-e kialakítva vagy sem. Ha igen, tagoltnak (pl. MAN, Saurer), ha nem, akkor tagolatlannak (pl. Hesselmann) nevezzük az égéstereket. OSZTOTT ÉGÉSTEREK Az osztott égéstereket kedvezőtlen felület-térfogat (A/V) arány jellemez, ami az égéstér kialakításából, elnyújtott formájából adódik. Az adott térfogathoz nagy felület tartozik, mely a hőveszteséget növeli. Ezekből következik, hogy elő kell melegíteni az égésteret ahhoz, hogy az indítási körülményeken javítani tudjunk. Ezért izzító gyertyát kell beépíteni, mely indítás előtt pár másodpercig előmelegíti

4 az előkamrát és környezetét, ezzel is elősegítve az öngyulladás folyamatát, az égés kialakulását. Legjobb lenne az A/V viszony szempontjából a félgömb alakú égéstér, melyet a mai korszerű benzinmotoroknál előszeretettel alkalmaznak. A kamra kis méretéből adódik, hogy a kompresszió viszony ε =(V h +V c )/V c [1] nagyobb az osztott égésterű dízel motoroknál. Nagyon fontos az utólagos porlasztás jelensége, mely sok előnyös tulajdonságot von maga után. A lényege az, hogy az égési folyamat a beporlasztás után már a kamrában elkezdődik, és innen terjed át a hengertérbe. A kamrát és a hengert elválasztó szűk keresztmetszeten áthaladva, utólagos szemcsefinomodás jön létre, ezért jobb keverékképzés alakul ki. A lágyabb járás is ebből következik, mely kisebb zajhatást jelent. Ezért ezt a megoldást régebben előszeretettel alkalmazták személygépkocsiknál. További előnyük, hogy nem kell perdületszívócsövet beépíteni, alacsonyabb lehet a befecskendezési nyitónyomás és egyszerűbb csapos fúvókát (2. sz. ábra) alkalmazhatunk befecskendező fúvókaként. 2. sz. ábra. Csapos fúvóka

5 Előkamrás égéstér (3. sz. ábra) Jellemzői: a befecskendezés közvetlenül a kamrába történik; utólagos porlasztás jelensége fellép; lágyabb járás; A/V viszonya kedvezőtlen; izzító gyertyát kell alkalmazni; befecskendezési nyitónyomás: p ny =135 bar; kompresszióviszony: ε=20-25; az égés kb. 30%-a már a kamrában lezajlik; a kamra az égéstér térfogatának 25-60%-a; általában személygépkocsiknál alkalmazzák. 3. sz. ábra. Előkamrás égéstér Mercedes OM 601 A Magyar Honvédségben a Csepel (Cs-344) tehergépkocsiban és a D-944 páncélozott szállító harcjárműben (PSZH) található ilyen égéstérrel kialakított motor. A PSZH-ban egy négyhengeres, négyütemű, OHV [2] vezérlésű, folyadékhűtéses, közvetett befecskendezésű, osztott hengerfejes, dízel motor található. Az osztott hengerfejes kialakítás miatt könnyen és olcsón javítható, mert meghibásodásnál elég csak a tönkrement hengerfejet kicserélni. Az égéstér kialakítása miatt indítás előtt izzítást igényel, ezért főleg télen, alacsony környezeti hőmérséklet esetén indítása nehézkes. Ez az égéstér kialakítás így nem könnyíti meg a dízel motorok amúgy is nehéz indíthatóságát. Befecskendező fúvókaként egyfuratú csapos fúvókát alkalmaznak, mely az előkamrába porlasztja a gázolajat. Technikai paraméterei (2. sz. táblázat) az általános jellemzésben leírtaknak megfelelő. 2. sz. táblázat

6 PSZH harcjármű technikai jellemzői Technikai paraméter Jele Értéke Kompresszióviszony ε 20 Befecskendezési nyitónyomás p ny 135 bar (13,5 MPa) Előbefecskendezési szög értéke β 20±2 Örvénykamrás égéstér (4. sz. ábra) Jellemzői: a főégéstérhez korong vagy gömb alakú mellékégéstér tartozik; az örvénykamra nagyobb nyílással csatlakozik a főégéstérhez, mint az előkamra; fajlagos tüzelőanyag fogyasztása kisebb, mint az előkamrásé; a befecskendezés az örvénykamrába történik; A/V viszonya kedvezőtlen; izzító gyertyát kell alkalmazni; kompresszióviszony: ε= a befecskendezési nyitónyomás: p ny =140 bar; lágyabb járás.

7 Az örvénykamrás égéstérnél a dugattyú felfelé mozgásának hatására a levegő beáramlik a kamrába. Az egylyukú csapos befecskendező fúvókával ebbe a levegő áramba történik a beporlasztás az áramlási iránynak megfelelően (5. sz. ábra). Ezzel a megoldással a porlasztás minősége rosszabb lesz, de a fajlagos fogyasztás jobb. Az indításkor jobb lenne, ha a beporlasztás a levegőárammal szemben történne, mert javulna a gázolaj és a levegő elkeveredése. A fajlagos fogyasztás értéke ekkor ugyan romlik, de könnyebben indul meg az égés folyamata (6/a. sz. ábra). A motor bemelegedése után pedig megfelelő lenne a levegő áramlási irányába történő befecskendezés (6/b. sz. ábra). Ezt az elvet egyesíti a Pinteaux-fúvóka (6. sz. ábra), melynek porlasztási képét mutatja be a következő kép. 4. sz. ábra. Örvénykamrás égéstér 5. sz. ábra. Az egyfuratú csapos-fúvóka porlasztási képe

8 a) Indításkor b) Indítás után 6. sz. ábra. A Pinteaux-fúvóka porlasztási képe

9 Légkamrás égéstér (7. sz. ábra) Jellemzői: a légkamrát a befecskendező fúvókával szemben alakították ki; a kamrába történik a befecskendezés; az A/V viszonya kedvezőtlen; izzító gyertya szükséges; kompresszióviszony: ε =20-25; csapos fúvókát alkalmaznak; befecskendezési nyitónyomás: p ny = bar; hatásfoka rosszabb az elő- és örvénykamrásénál; a kamrában az égés kisebb része zajlik le mint az elő- és örvény-kamrásnál; ma már nem alkalmazzák. 7. sz. ábra. Légkamrás égéstér OSZTATLAN ÉGÉSTEREK Az osztatlan égéstereket az előbbiekhez képest jobb A/V viszony jellemez, hiszen az égéstér nem a hengerfejben van kialakítva, hanem a dugattyú tetőn vagy a dugattyúban egy kamraként, izzító gyertyát ezért szükségtelen alkalmazni. A kompresszióviszony kisebb és az utólagos porlasztás jelensége sem figyelhető meg. A keverékképzés feltételei azonban rosszabbak az osztott égésterekhez képest. Ezekből következik, hogy zajosabb járás jellemzi őket, így korábban tehergépjárműveknél alkalmazták. A HDI-rendszerek megjelenésével a magasabb befecskendezési nyomásból adódóan a zajosabb járás csökkenthető lett, így már személygépkocsiknál is elterjedt módon használják. Ezt ellensúlyozva magasabb befecskendezési nyitónyomást és perdületszívócsövet kell alkalmazni. A befecskendező fúvókának is jobb minőségben kell porlasztani, ezért több- (8/a. sz. ábra) vagy egyfuratú kúpos befecskendező fúvókát (8/b. sz. ábra) építenek be.

10 a) b) 8. sz. ábra. A több- (a) és egyfuratú (b) kúpos fúvóka Tagolt égésterek MAN égéstér (9. sz. ábra) Ezt az égésteret Meurer dolgozta ki, más néven középgömbös égéstérnek is nevezik (Mittenkugelbrennraum). A befecskendezés az egylyukú kúpos fúvókán keresztül a dugattyúkamra falára történik, ahonnan az fokozatosan elpárologva keveredik el a perdületszívócsőn keresztül beáramlott levegővel (hártyás keverékképzés). A fúvóka a középponttól eltolva helyezkedik el. Az egyenletesebb keverékképzés érdekében a dugattyúkamrát alulról hűteni kell. Ezt a hajtórúd felől a motor kenőrendszeréről oldják meg. Mivel alapjáraton az olajnyomás kisebb, így a hűtés nem megfelelő, ezért nem célszerű ezen motorokat sokáig alapjáraton üzemeltetni (D 566 tehergépkocsi). Az égéstér nagy előnye, hogy lágyabb a motor járása, mint a többi közvetlen befecskendezésű rendszeré. A fajlagos tüzelőanyag fogyasztása pedig olyan kicsi ( gr/kwh), mint az osztott égésterű motoroké.

11 Ez a megoldás egyesíti a kamrás motorok és a közvetlen befecskendezésű motorok előnyeit, ezért ez a legelterjedtebb kialakítás. Kompresszióviszonya (ε) között van, nem igényel izzító gyertyát, de a befecskendezési nyitónyomása magasabb (p ny = bar). A kedvező tulajdonságai miatt a polgári életben és a Magyar Honvédségben alkalmazott járműmotorokban is gyakran előforduló kialakítás. A hadseregben például a D-566-os és a DAC-665-ös típusú tehergépkocsik motorja rendelkezik ilyen égéstérkialakítású motorral. Ez utóbbinak hathengeres, soros, közvetlen befecskendezésű, OHV vezérlésű, folyadékhűtéses, négyütemű dízel motorja van. A dugattyúkamra hűtése itt is alulról, a kenőrendszerről megoldva történik. Alapjáraton még nem megfelelő az olajnyomás a dugattyúkamra hűtéséhez, ezért ezen a fordulatszámon nem szabad sokáig üzemeltetni a motort. 9. sz. ábra. MAN égéstér Előbefecskendezés szabályozó szerkezettel van ellátva, melynek segítségével a magasabb fordulatszám tartományokban kb kal meg tudja növelni a β -szög értékét[3], ami kedvező hatással van a keverékképzésre és a hengerben zajló égési folyamatra. A szögérték növelésével nagyobb idő áll rendelkezésre, így jobban biztosítható, hogy az égési csúcsnyomás közvetlenűl a felső holtpont után alakuljon ki. Befecskendező fúvókaként többfuratú kúpos fúvókát alkalmaznak, mely közvetlenül a hengerben lévő dugattyúkamra falára porlasztja a gázolajat. Technikai paraméterei (3. sz. táblázat) a következők: DAC 665 tehergépjármű technikai jellemzői Technikai paraméter Jele Értéke Kompresszióviszony ε 17 Befecskendezési nyitónyomás p ny 180±3 bar (18±3 MPa) Előbefecskendezési szög értéke β 24±1 3. sz. táblázat

12 Saurer égéstér (10. sz. ábra) A svájci Saurer gyár fejlesztette ki ezt a módszert. Az égéstér körgyűrű alakú, ezért toroidkamrásnak is szokták nevezni. A tüzelőanyagot a henger szimmetria vonalában elhelyezett többlyukú kúpos befecskendező fúvókán keresztül fecskendezzük be az égéstérbe. A beporlasztás sugara szélesebb, mint a MAN égéstérnél és perdületszívócsővel együtt biztosítják a térfogati keverékképzés feltételeit. Fajlagos fogyasztása jó, de járása zajos, ezért haszongépjárműveknél alkalmazzák elsősorban. A befecskendezési nyitónyomás bar. A kamra térfogata az égéstér térfogat 70-95%-a. 10. sz. ábra. Saurer égéstér Az A/V viszonya jobb mint az osztott égésterűeké, ezért izzítást indításkor nem igényel, így kialakítása is egyszerűbb a kamrás motorokénál. Tagolatlan égésterek Hesselmann égéstér (11. sz. ábra) Ezt az égéstér típust két- és négyütemű dízel motoroknál egyaránt alkalmazzák. Az égéstér nem a dugattyúban, hanem annak tetején van kialakítva. A többfuratú kúpos fúvóka itt is a henger szimmetria vonalában helyezkedik el. A beporlasztás több, széles sugárban történik meg a perdületszívócsőn keresztül érkező örvénylő levegőbe (térfogati keverékképzés). A fúvóka nyitónyomása négyütemű motoroknál bar, kétüteműeknél 1000 bar is lehet. Keményebb járás jellemzi, ezért haszongépjárműveknél alkalmazzák. Izzítást nem igényel, a kompresszióviszonya között van.

13 11. sz. ábra. Hesselmann égéstér Ilyen égéstér található a Magyar Honvédségben rendszeresített BMP-1-es harcjármű motorjánál. A harcjárműben egy hathengeres, "V" elrendezésű, közvetlen befecskendezésű, DOHC [4] vezérlésű, folyadékhűtéses, négyütemű dízel motor van beépítve. Hengerenként négy szelep található, mely nagyban javítja az öblítés minőségét. A befecskendező fúvóka egy többfuratú kúpos fúvóka, mely középen van a hengerfejben elhelyezve és közvetlenül a hengertérbe porlasztja a gázolajat. Előbefecskendezés szabályozó szerkezet is található a motor adagolójánál. Működtetése hidraulikus módon a motor kenőrendszeréről történik, és egy röpsúly segítségével van vezérelve. A hidegindítás megkönnyítésére előmelegítő berendezést is építettek a motorhoz, mely a hűtőfolyadék felmelegítésével előmelegíti a henger környezetét és a kenőolajat, ezzel is javítva a motor indíthatóságát télen, alacsony környezeti hőmérséklet esetén. Technikai paraméterei (4. sz. táblázat) a következők: BMP 1 technikai jellemzői 4. sz. táblázat Technikai paraméter Jele Értéke Kompresszióviszony ε 15,8 Befecskendezési nyitónyomás p ny 240 bar (24 MPa) Előbefecskendezési szög értéke β 24 Az osztatlan égéstereknél jól látható, hogy a megfelelő keverékképzés biztosítás érdekében szükséges a levegő örvénylő áramlásának létrehozása. Ennek segítségével lehet biztosítani a jobb minőségű homogénebb keveréket, mely alapfeltétele a lágyabb járásnak. Ezt perdületszívócső (12. sz. ábra) segítségével valósítják meg. A szívócső alakja lehet hengeres és kör keresztmetszetű. Természetesen nem ez az egyetlen járható út. A másik lehetőség a befecskendezési nyitónyomás növelése (HDI-rendszerek), mely segítségével ma már személygépkocsikban is alkalmazhatóak az osztatlan égésterek. A nyitónyomás

14 növelésével (p ny = bar) ugyanaz a szemcsefinomodás elérhető, mint a kamrás égéstereknél az utólagos porlasztásnál. A nyomásnövelés következtében megnövekszik a beporlasztott gázolaj mennyiségének a felülete, így javulnak az égés körülményei. A fajlagos fogyasztás és a károsanyagkibocsátás is csökken. Alkalmazásának hátránya a drága szerkezeti kialakítás. Korábban nem csak ez volt az oka annak, hogy nem alkalmazták. A tömeggyártás problémáját is meg kellett oldani úgy, hogy az árában is versenyképes lehessen. A mai korszerű technológiákkal ez már könnyebben megoldható és ne felejtsük el a károsanyag-kibocsátás csökkentésének egyre hangsúlyozottabb szerepét sem, melyben a HDI rendszerek szintén jobb paraméterekkel rendelkeznek. Ezért ma már nagyon sok személyautóba is beépítik. 12. sz. ábra. Perdületszívócsövek BEFEJEZÉS A cikk aktualitását a mai személygépjárműveknél beépített dízel motorok számának növekedése adta. Tapasztalhatjuk, hogy a korszerű rendszerek elterjedésével már alig lehet különbséget tenni a benzines és a dízel járművek menettulajdonságai között. A mai dízel motorok nem olyan lassúak, jobb a fajlagos fogyasztásuk, és a káros anyag kibocsátásuk is jobban csökkenthető. Sajnos a hadsereg járműparkjában ezek az új (HDI) rendszerek még nem terjedtek el. Remélhető azonban, hogy a járműbeszerzések során sikerül korszerű, gazdaságosabb üzemeltetésű eszközöket rendszerbe állítani, ezzel lehetőséget adva ezen megoldások bemutatására, a Magyar Honvédség járműparkján keresztül.

15 FELHASZNÁLT IRODALOM DEZSÉNYI Gy. EMŐD I.: Gépjárművek tervezése és vizsgálata. Tankönyvkiadó, Budapest, DEZSÉNYI GY. EMŐD I. FINICHIU LIVIU: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata. Tankönyvkiadó, Budapest, FÜLÖP ZOLTÁN: Belsőégésű motorok. Tankönyvkiadó, Budapest, GROHE, H.: Ottó- és Diesel-motorok. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, TURCSÁNYI KÁROLY: A katonai gépjárművek fejlődése. Katonapolitikai tájékoztató, 1986/2. sz. TURCSÁNYI KÁROLY: Rendszertechnika. Páncélos és gépjárműtechnikai eszközök. ZMKA, [1] V h hengertérfogat, V c kompressziós térfogat. [2] OHV Oldalt vezérelt, felül szelepelt vezérlési megoldás. [3] β Előbefecskendezési szög jele. [4] DOHC Felül vezérelt, felül szelepelt, hengerenként négy szeleppel szerelt vezérlési megoldás.