Belsőégésű motorok töltetcsere vezérlő szerkezeteiben lejátszódó súrlódási folyamatok elemzése

Átírás

1 Ph.D. értekezés Belsőégésű motorok töltetcsere vezérlő szerkezeteiben lejátszódó súrlódási folyamatok elemzése Írta: Gál Péter okleveles gépészmérnök gépjármű szakmérnök Budapest 2005

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 1 A témaválasztás indoklása 1 Károsanyag-kibocsátás csökkentése.. 3 Tüzelőanyag-fogyasztás csökkentése Járműmotorok hatásfoka A motor működése közben fellépő veszteségek Innovatív motortechnikák a motorikus hatásfok javítására Korszerű motorok levegőellátó rendszere Változtatható paraméterű feltöltés Változtatható paraméterű szívócsőrendszerek Változtatható paraméterű szelepvezérlés.. 19 I. Irodalmi áttekintés 3. Szelepvezérlő szerkezetek részegységeinek fejlesztési tendenciái Vezérműtengely hajtás Vezérműtengely Gyártástechnológiai tendenciák Szerelt bütyköstengelyek Vezérlő-bütyök geometriájának megválasztása A bütyök által mozgatott alkatrészek Szelepemelő Szelepek Szeleprugók A szelepvezérlés tribológiája Az EHD-kenéselmélet alkalmazása vonalérintkezésű alkatrészek.. 41 kenésállapotának ellenőrzésére 4.2 A szelepműködtető berendezés mint tribológiai rendszer Szelepek Csészés szelepemelő Szelephimba A szelepvezérlés súrlódási veszteségeinek megoszlása. 55 II. A kutatási program alapján végzett saját mérések és vizsgálatok 5. A kutatási program A szelepvezérlés tribológiai jellemzőinek mérése Szelepvezérlés hajtónyomatékának mérésére szolgáló berendezés A vizsgált szelepvezérlő berendezések A-jelű hengerfejen végzett vizsgálatok B-jelű hengerfejen végzett vizsgálatok Nyomaték-számítások a veszteséget befolyásoló 75 konstrukciós és üzemi paraméterek hatásának feltárására 7.1 A hajtónyomaték számítása Konstrukciós módosítások hatása a hajtónyomatékra A vezérlő bütyök geometriai paramétereinek hatása a hajtónyomatékra Az elért veszteség-csökkenés hatása a motor fogyasztására A kutatást összefoglaló megállapítások, új tudományos eredmények Függelék: I. Az értekezésben használt jelölések II. Felhasznált irodalom jegyzéke III. Nyilatkozat 114

3 Belsőégésű motorok töltetcsere vezérlő szerkezeteiben lejátszódó súrlódási folyamatok elemzése 1. Bevezetés Az emberiségnek évezredes tapasztalatra volt szüksége ahhoz, hogy képes legyen a hőt szolgálatába állítani. A közúti közlekedés szinte kizárólagos erőforrása ma is az a térfogatkiszorítás elvén működő dugattyús hőerőgép, amelynek fejlesztésével már több mint 100 esztendeje foglalkoznak a szakemberek. Ez az évszázados fejlesztési munka és a közben szerzett kísérleti tapasztalatok tették lehetővé, hogy az egyre szigorodó gazdaságossági elvárásokat és környezetvédelmi követelményeket ki lehessen elégíteni. A belsőégésű motorok veszteségeinek csökkentésére az energiaátalakítási folyamat hatásfokának növelése ad lehetőséget. Míg az indikált hatásfok a belső folyamatok optimalizálásával, addig a mechanikai hatásfok elsősorban a súrlódási veszteségek csökkentése révén javítható. A témaválasztás indoklása A mechanikai veszteségek csökkentése érdekében az elmúlt évtizedekben folytatott fejlesztési munkák elsősorban a motorok forgattyús mechanizmusára, a segédberendezések hajtásigényének- és mindenek előtt a gázcsere folyamat veszteségeinek csökkentésére koncentráltak. A motor belső működése szempontjából optimális gázcsere biztosítására az elmúlt években egyre bonyolultabb és összetettebb technikákat alkalmaznak (többszelepes technika, változtatható paraméterű szelepvezérlés, stb.), amely technikák értékelő kritikája a súrlódási veszteségek tudatos csökkentése szempontjából elengedhetetlenül fontos. A Budapest Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedési Kar Doktori Tanácsa által jóváhagyott tématervnek megfelelően végzett kutatásaim alapján készített értekezés az alábbi főbb területekkel foglalkozik: I. Irodalmi feldolgozás Áttekintés a járműmotorok- és ezen belül a töltetcsere vezérlés mechanikai veszteségeinek megoszlásáról. A különféle gyártók által a töltetcsere vezérlésekben alkalmazott technikák és technológiák (konstrukció, szerkezeti anyagok, gyártástechnológia) összehasonlító áttekintése. II. Méréseken és számításokon alapuló saját kutatások Olyan mérési és kiértékelési módszer kidolgozása, amellyel a korszerű motorok integrált töltetcsere-rendszereinek hajtásigénye és az azt befolyásoló tényezők a motortól függetlenül, de üzemi körülmények között vizsgálhatóak. Számítási módszer kidolgozása, amellyel a töltetcsere-rendszerek hajtásigénye számítható. A vizsgálatok és számítások eredményei alapján új tudományos eredmények és következtetések megfogalmazása. 1

4 A gépjárműüzem energetikai jelentősége A világ iparilag fejlett és fejlődésben lévő országaira a mobilitás jellemző. Az információs és a fogyasztási igények rohamos fejlődése, az azok kielégítésére irányuló, országhatárokon is átívelő nemzetközi együttműködés az évezred-fordulóra nemcsak hogy mind ez ideig soha nem látott méreteket öltött, de mára már az is egyértelművé vált, hogy újabb országok, pld. Kína bekapcsolódása a felzárkózási folyamatba ennek a fejlődésnek teljesen új dimenziókat kölcsönöz. Az eddig töretlen dinamikájú folyamat egyik egyértelmű nyertesének az autóipar bizonyult. Ennek alapjait még Henry Ford teremtette meg azáltal, hogy az autógyártás területén munkatársaival kidolgozta a tömeggyártás konstrukciós- és technológiai feltételeit és a híreshírhedt T-modell gyártásba vételével az addig luxusnak számító gépkocsit a társadalom széles rétegei számára tette hozzáférhetővé. Az iparilag fejlett országokban a járműipar fokozatosan meghatározó, mondhatni stratégiai iparággá fejlődött. Nem csupán azért, mert megteremtette az áru- és személyszállítás objektív feltételeit, hanem azért is, mert az autógyártás és üzemeltetés a fejlett országok minden ötödik-hatodik munkavállalója számára biztosít munkahelyet. A világpiaci verseny hatására a gépjárművek konstrukciójára a csúcstechnika ma már éppen úgy jellemzővé vált, mint a megfelelő termelékenységet biztosító gyártástechnológia és a széleskörű nemzetközi beszállító-hálózatra épülő hatékony fejlesztő- és gyártási rendszerek működtetése. [1] Magyarország a rendszerváltás előtt az akkoriban igen sikeres autóipari rekonstrukció eredményeképpen autóbuszgyártó "nagyhatalommá" vált, amely pozíció azonban a keleti és a hazai piacok összeomlása miatt szinte egyik-napról a másikra megszűnt. Helyette a multinacionális autógyárak és rendszer-beszállítók által Magyarországra telepített üzemekben indult be igen jelentősnek mondható volumenű autó- és alkatrészgyártás. Ennek nagyságrendjére álljon itt egy jellemző példa: Az AUDI AG győri üzemében évente kereken 1,5 millió személygépkocsi motort gyártanak. Ha a 4 fő típus több száz változatában készült motorok teljesítményét összeadjuk, akkor arra az eredményre jutunk, hogy ez az összegzett névleges teljesítmény kereken egy nagyságrenddel nagyobb, mint a Magyarországon üzemelő villamos erőművek összes teljesítménye. Hasonló eredményre jutunk, ha ezt az összehasonlítást kiterjesztjük a világ összes országára ben a világ országaiban kereken 60 millió gépjárművet értékesítettek. Ezzel együtt a már forgalomban lévő gépjárművek száma megközelíti az egy milliárdot. (1-1 sz. ábra) A világ járműparkja így joggal tekinthető a világ legnagyobb és leggyorsabban fejlődő energiafelhasználó- és egyidejűleg energia-szolgáltató szektorának is. [2] Ugyanakkor a fejlődés hatásának megítélése során egyre nagyobb hangsúlyt kap a környezetvédelem és az energiafelhasználás szempontjából még "fenntartható fejlődés" kérdése is. A kérdésre adott válasz tekintetében az autóipari kutatás-fejlesztés két fontos területre fókuszál: a járművek károsanyag-kibocsátásának- és tüzelőanyag-fogyasztásának csökkentésére. 2

5 Amíg járművek által okozott károsanyag- és zaj kibocsátás a lakosság egészségét közvetlenül és azonnal veszélyezteti, addig a járművek által egyre növekvő mértékben felhasznált tüzelőanyag sok szakember és kevésbé hozzáértő civil szervezet véleménye alapján távlatokban két területen fog problémát jelenteni: a rendelkezésre álló szénhidrogén-bázisú energia-készletek tartalékainak kimerülése (50-100év) a tüzelőanyag motorikus égése során keletkező CO 2 kibocsátás potenciális hatása az üvegház-hatás fokozódására. A fenntartható fejlődés kérdése az autóipar számára az évtized legnagyobb kihívásává vált, és a kihívásra adott lehetséges válaszok generálták dolgozatom témaválasztását is. SZGK Könnyű TGK Motorkerékpár Nehéz TGK Forgalomban lévő járművek száma [Millió db] OECD országok a világ többi országa 1-1 ábra A forgalomban lévő gépjárművek számának prognosztizált alakulása Károsanyag-kibocsátás csökkentése A kipufogógáz emisszió csökkentése (CO, CH, NO X, részecske) már évtizedek óta a motorfejlesztés központi témája volt. A kétségtelenül rendkívül pozitív eredményeket felmutató fejlesztések mögött azonban az állt, hogy kipufogógázban megtalálható mérgező anyagok veszélyét felismerve a törvényhozás már évtizedekkel ezelőtt megkezdte a megengedett koncentrációk határértékeinek az 1-2 sz. oszlopdiagramban is bemutatott mértékű szigorú korlátozását. Az autógyárak kénytelenek voltak nemzetközi szerződésekkel is megerősített egyre szigorodó határértékeket betartani. Ez esetenként csak kompromisszumok árán volt lehetséges, a kötelező határértékek betartása érdekében a gyártók csökkentették az adott motor teljesítményét, vagy akceptálták a tüzelőanyag-fogyasztás átmeneti növekedését. 3

6 Határértékek [%] Részecske NOx HC CO 0 ECE előtt 70/220/EEC 74/290/EEC 77/102/EEC 78/665/EEC 83/351/EEC 88/76/EEC 88/436/EEC 91/441/EEC "Euro 1" 94/12/EEC "Euro 2" Otto 94/12//EEC "Euro 2" Diesel Euro 3 Otto Euro 3 Diesel Euro 4 Otto Euro 4 Diesel 1-2 ábra A kipufogógáz károsanyag-tartalmát szabályozó előírások és a megengedett határértékek alakulása A diagram ugyan szemléletesen érzékelteti a fejlődés tendenciákat, de az autógyártók előtt álló feladat súlyosságát nem ért néhány konkrét számadattal alátámasztani, amelyek az Euro III-ról az Euro IV-re való áttérés során válnak kötelezővé. SZGK Csökkenés mértéke HC NO X Részecske Euro IV. határérték Csökkenés mértéke Euro IV. határérték Csökkenés mértéke Euro IV. határérték Otto 60 % 1 g/km 50 % 0,08 g/km Diesel 20 % 0,5 g/km 50 % 0,25 g/km 50% 0,25 g/km A tüzelőanyag-fogyasztás csökkentése Amíg a károsanyag-kibocsátás csökkentése vonatkozásában az autógyártók akarvaakaratlanul is kényszerpályára kényszerültek, addig a tüzelőanyag-fogyasztás csökkentése területén legalább is Európában a piaci szegmensek megtartására, ill. megszerzésére irányuló törekvések jelentették a motivációt. Minőségi szemléletváltozást hozott ezen a területen a Német Autógyártók Szövetségének (VDA) önkéntes (!) vállalása, hogy az NSZK-ban gyártott személygépkocsik és kistehergépkocsik úgynevezett flotta-fogyasztását 1978-tól 1985-ig terjedő időszakban 15 %- kal csökkenti. Cserébe azt kérték a törvényhozástól, hogy a már elfogadott és fokozatosan érvénybe lépő emissziós rendeleteken túlmenően ne hozzanak új, az autógyárakat kampányszerű megoldásra kényszerítő törvényeket. A vállalást a koncentrált kutatások eredményeképpen sikerült túlteljesíteni, mivel nem kevesebb mint 25%-os fogyasztáscsökkenést tudtak regisztrálni. A nyolcvanas évek második felében a katalizátorok bevezetése ugyan átmenetileg megnövelte a járművek fogyasztását, de jelentős kutatási- és fejlesztési ráfordításokkal a korábbi program sikerrel folytatódott. 4

7 200 CO2 [g/km] Otto Diesel Trend Cél ábra: Európai gyártású személygépkocsik CO 2 kibocsátásának alakulása A japán Kyoto városban megtartott ENSZ klíma-konferencia ennek a kezdeményezésnek új lendületet adott. A VDO vállalásához, hogy a forgalomba bocsátott új személygépkocsik flottafogyasztását 1995-től 2008-ig 140 g/km-es ekvivalens CO 2 kibocsátásnak megfelelő értékre csökkentik, később az Európai Automobilgyártók Szövetsége (ACEA) is csatlakozott. Az eddig elért eredmények igazolják a vállalkozás realitását. (1-3 ábra) [2], [3] A gépjárművek által kibocsátott CO 2 -tömegemisszió közvetlenül függ a motor tüzelőanyagfogyasztásától. Értéke az (1-1) összefüggés alapján számítható: m CO 2 (0,82 mtü.a. 0,29 CO 0,866 HC) = (1-1) 0,273 m CO2 m Tü.a. CO, CH az égés során keletkezett széndioxid tömege az elfogyasztott tüzelőanyag tömege kipufogógáz emissziós tényezők Ennek alapján belátható, hogy minden fogyasztás-csökkentő intézkedés közvetlenül hozzájárul a CO 2 kibocsátás csökkentéséhez is. A tüzelőanyag összetétele is befolyásolja a CO 2 -emissziót. Mivel a gázolaj széntartalma magasabb, a sűrűsége és fűtőértéke viszont kisebb, ezért ugyanakkora fogyasztást feltételezve a Diesel-motor CO 2 kibocsátása nagyobb. 1 liter/100 km-es fogyasztásra vetítve a Dieselmotorral hajtott jármű 26.5 g/km CO 2, a benzinüzemű jármű 24 g/100 km CO 2 mennyiséget bocsát ki. A Diesel-motoros járművek kedvezőbb hatásfoka miatt azonban azok fogyasztása és ezzel összefüggésben CO 2 kibocsátása is kisebb. Ez egyébként azt is jelenti, hogy az 1-3 sz. ábrán bemutatott CO 2 flotta-kibocsátás csökkentésének az is egy lehetséges módja, ha a gyártók növelik a Diesel motorral szállított típus-változatokból értékesített járművek darabszámát. Az objektív értékelés érdekében az egyes járművek vizsgálatát szabályozott körülmények között, görgős teljesítmény-fékpadon hajtják végre. A járművek tüzelőanyag-kibocsátását az 1995-ben bevezetett úgynevezett Új Európai Menetciklus (MVEG) teljesítése során értékelik. Az MVEG két jellemző részciklusból áll, a hidegindítást követő első, kifejezetten városi ciklust (megfelel a korábbi ECE ciklusnak) egy országúti menetciklus (EUDC) egészíti ki. (1-4 ábra) 5

8 sec 195 sec 195 sec 195 sec 400 sec városi városi városi városi országúti Sebesség [km/h] ECE EUDC 1-4 ábra: MVEG Új Európai Menetciklus Az Új Európai Menetciklus végrehajtása során a motor túlnyomórészt alsó részterhelési üzemállapotban üzemel. Ez jól látható az 1-5 sz. diagramon, ahol egy felső középkategóriájú jármű 2 literes motorjának üzemi tartományában bejelöltem a menetciklus alatt érintett munkaterületet és az egyes üzemállapotokból számított átlagos terhelési pontot. Motor üzemi tartománya MVEG ciklus által érintett tartomány MVEG ciklus átlagos üzempontja 1-5 ábra: MVEG Új Európai Menetciklus által érintett terület a vizsgált motor üzemi tartományában Az MVEG ciklus teljesítése alatt a motor terhelését és a mért fogyasztást több tényező is befolyásolja, amelyek között az alábbiak a legfontosabbak: A motor hatásfoka A jármű tömege A jármű erőátviteli lánc áttételei az egyes sebességi fokozatokban A motor lökettérfogata 2 Járműmotorok hatásfoka A hőerőgépek családjához tartozó belsőégésű motorok a működésük során a munkahengerbe bevezetett tüzelőanyag kémiai energiájából az égés során fejlődő hőt mechanikai energiává alakítják át. A valóságos gépekben minden energia átalakítási folyamat veszteségekkel terhelt. Ezek a veszteségek természetesen csak az energia átalakítás céljának ez a cél esetünkben a 6

9 maximális mértékű mechanikai energia létrehozása- szempontjából tekinthetők veszteségnek, hiszen az egyik legáltalánosabb természeti törvényünk, az energia megmaradásának törvénye értelmében az energia soha nem veszhet el, hanem csak átalakul. Ezért célszerűbb és szakszerűbb lenne az energia veszteség helyett annak elértéktelenedéséről, degradációjáról beszélni. A veszteségek helyett az erőgépbe annyival több (kémiai) energiát kell bevezetni, mint amennyit a hasznosítani kívánt (mechanikai) energián felül a veszteségek felemésztenek. A teljesítményveszteség a bevezetett- és a hasznos teljesítmény különbsége: P v = P P (2-1) be e A veszteség abszolút nagyságából a gép minőségére még nem tudunk következtetni. Az erőgép minőségéről akkor kapjuk a legvilágosabb képet, ha a kapott hasznos teljesítményt hasonlítjuk a bevezetett teljesítmény nagyságához. Így jutunk a hasznosítási fok, röviden hatásfok fogalmához. Peff η = (2-2) P be (1) szerint a hasznos teljesítmény: P e = P P (2-3) be v ezzel (2-2): Pbe Pv Pv η = = 1 (2-4) P P be be Bevezetve a v veszteségtényező fogalmát, ami azt fejezi ki, hogy a bevezetett energia hány százaléka értéktelenedik el: Pv v = (2-5) P be a (2-4) egyenlet a következőképpen alakul: η = 1 v (2-6) A valóságos hőerőgépekben különféle természetű veszteségek lépnek fel. Általánosan elmondható, hogy minden veszteséghez egy hatásfok definiálható. 7

10 A motor effektív teljesítménye a teljesítményveszteségek összegével kisebb a bevezetett teljesítménynél: i P e = Pbe Pv (2-7) i A bevezetett teljesítmény: 1 P be = m& H (2-8) tü.a. u Közvetlenül összehasonlítható, méretnélküli tényezőkhöz jutunk, ha (2-7)-et (2-8)-cal végigosztjuk. m& Pe H tü.a. u = 1 i 1 P P be v i (2-9) Az egyenlet baloldala az effektív (gazdasági) hatásfok. η e = m& Pe H tü.a. u (2-10) Bevezetve, ill. behelyettesítve a veszteségtényező η i e v i 1 = 1 (2-11) v i Pvi = fogalmát: P Ebből világosan látható, hogy a motor effektív hatásfokának növelése a veszteségek csökkentésével érhető el. Ez az effektív hatásfok az energiaátalakulás közben fellépő valamennyi veszteséget figyelembe veszi. A belsőégésű motor veszteségeit három fő csoportba sorolhatjuk: be alapvető veszteségek: motorikus (belső) veszteségek: mechanikai veszteségek v alap v mot v mech A motor teljes energiavesztesége a veszteségtényezőkkel: valap + v mot + v (2-12) = v m Az energiaátalakulás során a veszteségek abban a sorrendben követik egymást, ahogy azt a 2.1 sz. energia-folyamatábra (9. oldal) is mutatja. 8

11 Bevezetett teljesítmény P be = m& tü H u H u = 4, [J/kg ] MOTORIKUS VESZTESÉGEK ÉS HATÁSFOKOK (2-1 sz. ábra) Tökéletes motor teljesítménye P 0 = P be η 0 Indikált (belső) teljesítmény P i = P be η i Effektív (hasznos) teljesítmény P e = P i η m ALAPVETŐ VESZTESÉGEK MOTORIKUS VESZTESÉGEK MECHANIKAI VESZTESÉGEK c p = f(t; α) Hőközlés véges hőmérsékleten Befejezetlen terjeszkedés A kémiai energia tökéletlen átalakulása Falveszteség Töltetcsere Súrlódás Ventilláció Hidraulikus veszt. Segédberendezések hajtása TECHNIKAI LEHETŐSÉGEK A HATÁSFOK JAVÍTÁSÁRA Kompakt égéstér Gyors égésfolyamat A töltetcsere és az égésfolyamat opt. összehangolása A hőátadási veszteségek csökkentése Löket/furat viszonyszám opt. megválasztása Jól tömítő dugattyúgyűrűk, szelepek Downsizing Thermomenedzsment A hengerszám, a löket/furat viszony, a hajtórúdviszony optimális megválasztása A súrlódási helyek számának csökkentése A súrlódási helyeken fellépő terhelő erők csökkentése Az együttműködő alkatrészek mechanikai- és hőterhelése következtében fellépő alakváltozás és illesztési hézagok összehangolása, ill. csökkentése Felületi érdességi paraméterek optimalizálása Termomenedzsment és az ahhoz illesztett optimális kenőolaj alkalmazása Downsizing A segédberendezések hajtás-teljesítményének csökkentése 9

12 2.1 A motor működése közben fellépő veszteségek Alapvető veszteségek Az alapvető veszteségek magából a munkafolyamatból erednek és nem írhatók a motor tökéletlenségeinek terhére. Egy részük olyan fizikai tények következménye, amelyeket megkerülni nem lehet. a. A munkaközeg fajhője a hőmérséklet és a légviszony függvénye C p = f (T, α) Ha a fajhő nő (pl. a hőmérséklet vagy a tüzelőanyag-dózis növelése révén) akkor ugyanazon hőmennyiség kisebb hőfoknövekedést eredményez, tehát η romlik b. Véges hőmérsékleten történő hőközlés A T 0 s veszteség a II. főtételből következik. Ezt a hőmennyiséget a T o hőmérsékletű környezet nem tudja a közegből elvonni. c. Befejezetlen terjeszkedés Az expanzió nem terjed a környezeti nyomásig és hőmérsékletig, hiszen a valóságos motor csak véges térfogathatárok között dolgozik. Motorikus veszteségek A valóságos motor működésének fenntartásával ill. e működés során keletkező, az indikátordiagramból analizálható veszteségek. a. A kémiai energia tökéletlen átalakulása hőenergiává. Ennek oka lehet például a nem tökéletes keverékképzés, az égéstér egyes helyein kialakuló O 2 -hiány, az oxidációs folyamatok lelassulása, ill. megszűnése a relatív hideg tartományban pld. a hűtött falfelület környezetében. b. Falveszteség az égés alatt c. A valóságos égési törvény nem izochor d. A kompresszió nem izentrópikus e. Az expanzió nem izentrópikus f. Töltetcsere veszteség A töltetcsere lebonyolításához szükséges teljesítmény, amely magában foglalja a szelepek, ill. a dugattyúgyűrű tömítetlenségéből származó veszteségeket is. Az alapvető és a motorikus veszteségek által okozott teljesítménycsökkenést az indikált hatásfokkal (η i ) jellemezhetjük. Egyes szerzők az alapvető veszteségek és a motorikus veszteségek vonatkozásában külön-külön is megfogalmaznak hatásfok értékeket. A motorikus hatásfokra vonatkozó hatásfokot (η j ) jósági foknak nevezik. Mechanikai veszteségek Azokat a veszteségeket tartalmazzák, amelyek az indikált teljesítmény mechanikai teljesítménnyé történő átalakulása során lépnek fel és amelyek nagysága a mechanikai hatásfokkal (η mech ) jellemezhető. a. Súrlódási- és hidraulikus veszteségek Az egymáson elmozduló alkatrészek között fellépő mechanikai- és folyadéksúrlódás, valamint a terhelésváltozás hatására kialakuló parciális folyadékáramok 10

13 b. Ventillációs veszteség A mozgó alkatrészek főtengely, hajtórúd, dugattyú mozgását gátló légellenállásból adódik. c. A segédberendezések teljesítményfelvétele Amíg a ventillációs veszteség alapvetően, a segédberendezések teljesítményfelvétele pedig jó közelítéssel csupán a fordulatszám függvénye, addig a súrlódási veszteség egy sor konstrukciós-, üzemi- és környezeti tényező függvénye. 2.2 Innovatív-motortechnikák a motorikus hatásfok javítására A motor hatásfokának javítása és a környezetet terhelő káros hatások (kipufogógáz- és zaj emisszió) csökkentése érdekében a gyártók egy sor újszerű technikát fejlesztettek ki. A technikák egy része ma már sorozatgyártású motorokon is megjelent, mások szériaérettségre történő fejlesztése folyamatban van. [2], [5] Az új technikák alkalmazása azt jelenti, hogy az alapmotort, az úgynevezett törzsmotort, olyan modulokkal egészítik ki, amelyek az elektronikus motor- és járműmenedzsmentrendszerrel vezérelve a motor igényeihez optimális módon szabályozzák a tüzelőanyagellátó rendszert, a töltetcserét, a motor feltöltését, hűtését vagy pl. hengerkikapcsolással változtatják az aktív hengertérfogat nagyságát. (2-2 sz. ábra) A töltetcserét közvetlenül érintő, az ábrában a szöveg háttér színezésével is megjelölt rendszerek ismertetése a 2.3. sz. fejezetben olvasható. Változtatható hengertérfogat (hengerkikapcsolás) Változtatható kompresszióviszony Multibefecskendező rendszerek Termomenedzsment Lézer-gyújtás "Minimál-hibrid motor Változtatható paraméterű szelepvezérlés Változtatható szívócsőhossz és szívócső-kikapcsolás Változó paraméterű feltöltés 2-2 sz. ábra: Innovatív motortechnikák 11

14 2.3 Korszerű motorok levegőellátó rendszere A hatásfokok definíciója szerint (lásd 2.1 sz. ábra) a töltetcsere alatt a hengerből eltávolított égéstermékek- majd azt követően a hengerbe bejuttatott friss töltet áramlási veszteségei az úgynevezett motorikus veszteségek csoportjába tartoznak. Magát a folyamatot vezérlő szelepműködtető berendezés hajtásához szükséges teljesítmény a hasznosítható teljesítményt csökkenti és mint ilyen a mechanikai veszteségek csoportjához sorolható. Az összképet azonban az is bonyolítja, hogy az elmúlt két évtizedben a klasszikus töltetcserevezérlő berendezés feladata egyrészt megváltozott, kibővült, másrészt a rendszerben olyan új modulok is megjelentek, amelyek már nem csak mennyiségileg, hanem minőségileg is befolyásolják a töltetcsere folyamatot. A 2-2 sz. ábrán bemutatott úgynevezett innovatív motortechnikák közül nevezetesen három érinti a töltetcserét: A változtatható paraméterű feltöltés ( + TLV töltőlevegő visszahűtés) A változtatható paraméterű szívócső + szívócsatorna A változtatható paraméterű szelepműködtetés szelep működtetés szívócső TLV feltöltő szívó csatorna 2-3 ábra: A töltet mennyiségi és minőségi paramétereit meghatározó modulok egy korszerű motor levegőellátó rendszerében Változtatható paraméterű feltöltés A rugalmas nyomatéki karakterisztikával rendelkező, nagy teljesítményű, nagy lökettérfogattal rendelkező motorok hátránya, hogy a gyakorlati járműüzem szempontjából releváns részterhelési állapotokban igen kedvezőtlen hatásfokkal kénytelenek üzemelni. A probléma megoldására a Downsizing koncepció kínál megoldást. Downsizing a motor méretének, a hengertérfogat nagyságának csökkentését jelenti, az eredeti teljesítmény- és mindenek előtt a nyomatéki karakterisztika jellegének megőrzése mellett. Ez csak a motor jelentős mértékű feltöltésével valósítható meg. Bebizonyosodott, hogy a p 2 =2 3 bar nagyságrendű feltöltési nyomás esetében ez egyetlen hagyományos feltöltővel sem biztosítható. A megoldást részben a jól bevált, szabályozható geometriájú turbinák továbbfejlesztése és ehhez kapcsolódóan az elektromosan támogatott kompresszor, illetve a kétfokozatú feltöltési elv alkalmazása jelentheti. 12

15 Változtatható turbinageometriájú (VTG) feltöltő (2-4ábra) A turbina járókerékre áramló kipufogógáz irányát változtatható állásszögű vezető-lapátok helyzete határozza meg, amit a legújabb konstrukcióknál a motormenedzsment által vezérelt elektromotoros működtető berendezéssel láttak el. A korábbi nyomásvezérelt rendszerekhez képest az optimális lapátszögek így gyorsabban és pontosabban biztosíthatók. Ezzel feltöltő reagálási ideje lerövidül és különösen a kis fordulatszám-tartományokban jelentős nyomatéknövelés érhető el. [6] Elektromosan támogatott turbótöltő Az elektromosan támogatott turbótöltő hatása elsősorban a kis motorfordulatszámok mellett is biztosított nagy motornyomaték elérésében valamint a jármű gyorsításakor egyébként jelentkező, a feltöltő forgó alkatrészeinek tehetetlenségétől függő mértékű késleltetett feltöltés ( turbólyuk ) megszüntetésében jelentkezik. A közeljövőben az elektromosan támogatott turbófeltöltés két változatának jelentős mértékű elterjedésével számolhatunk: a. A turbinaoldali hajtás támogatására pl. a turbina- és a kompresszor közötti tengelyre egy alkalmas elektromos hajtású motort integrálnak. [7] A motor a forgórész megnövekedett tehetetlenségi nyomatéka ellenére pozitívan befolyásolhatja a töltő tranziens viselkedését azokban a tartományokban, ahol a kipufogógáz kis mennyisége még nem lenne képes a megfelelő turbótöltőfordulatszámot biztosítani. b. A turbótöltő hatásának fokozására a kompresszor elé vagy mögé egy elektromos hajtású sűrítőt (Booster) iktatnak be. [8], [9]. a: Booster a kompresszor előtt b: Booster a kompresszor után 2-4 ábra: Kétfokozatú feltöltés 13

16 Ezzel a koncepcióval lényegében egy szabályozott kétfokozatú sűrítés valósul meg, ahol a turbótöltő kompresszora és az elektromos hajtású Booster sorba vannak kapcsolva. A két kompresszor szétválasztása és a szabályozott együttműködésük kínálta lehetőség kihasználása jelentős előnyökkel jár: Egyrészt a turbótöltőtől független Booster tranziens jellemzői kisebb elektromos energia felhasználás ellenére is sokkal kedvezőbbek, másrészt a két sűrítő együttműködésének variációjával a szállítási tartomány jelentősen bővíthető. Az elektromos hajtású légsűrítő csak a kis fordulatszám-tartományokban (1000 és 2000 f/p) működik. A Booster alkalmazásának nyilvánvaló előnyeit a 2-5 sz. nyomatékdiagram egyértelműen igazolja ábra: Downsizing A feltöltési módozatok hatása a motor nyomatékára Nyomaték M [Nm] literes turbómotor Turbó+Booster 3 literes szívómotor fordulatszám n [f/min] Kétlépcsős (twin-turbo) feltöltés A kétlépcsős turbótöltés esetében a levegőellátást két sorba kapcsolt turbótöltő biztosítja. (pld. Opel "Vectra OPC") Egy kisebb, gyors reagálású nagynyomású (3,2 bar!) primér turbótöltő gondoskodik a motor kis fordulatszám tartományában ( 1800 f/p-ig) a dinamikus gyorsító-képességről és a megfelelő nyomatékról. A fordulatszám növekedésével fokozatosan belép a nagyobb légszállításra méretezett kisnyomású feltöltő és 3000 f/p között mindkét töltő sorba kapcsolva működik. 2-6 ábra: Kétlépcsős feltöltő rendszer és a vezérlő szelep állása a motor üzemi tartományában 14

17 3000 f/p felett a primér feltöltő lekapcsol és ettől kezdve a szekunder feltöltő gondoskodik a nagy terhelési tartományokhoz szükséges mértékű töltőlevegő mennyiségről. A fordulatszám és terhelés függvényében vezérelt, a kipufogócsonkba integrált elektromos működtetésű csappantyú rendszer (vezérlő szelep) gondoskodik a két turbótöltő vezérléséről. 2-7 ábra: Downsizing Twin-turbo kétfokozatú turbótöltés kialakítása A feltöltési rendszerhez kapcsolódó kétfokozatú töltőlevegő visszahűtővel, a szabályozott nagynyomású multibefecskendező rendszerrel ellátott motor effektív középnyomása eléri a 26 bar értéket Változtatható paraméterű szívócsőrendszerek Ezek a rendszerek a belsőégésű motorok szívószelepeinek nyitásakor a szívócsőben uralkodó nyomástól eltérő nagyságú hengernyomás által gerjesztett nyomáshullámoknak a henger feltöltésére gyakorolt hatását igyekeznek minél szélesebb fordulatszám tartományban hasznosítani. Ezeknek az úgynevezett nyomáshullám feltöltési eljárásoknak alapvető változatait, a szívócsőfeltöltést rezonanciafeltöltést kombinált feltöltést (a rezonanciafeltöltés és a turbófeltöltés kombinációja) már évtizedek óta alkalmazzák. 2-8 ábra: A lengőcső- és rezonanciafeltöltés elvi vázlata 15

18 A dinamikus feltöltés elve már mintegy fél évszázada ismert, de kezdetben csak statikus alkalmazása volt általános. Pl. a lengőcső hosszának megválasztásával a nyomatéki karakterisztika rugalmasságát fokozták a nyomatéki maximum kis fordulatszámok felé történő eltolásával. [10] Nyomaték [Nm] L1 = 220 mm L1 = 420 mm L1 = 750 mm L1 = 1150 mm Fordulatszám [f/min] 2-9 ábra: A lengőcső hosszának hatása a motor nyomatéki karakterisztikájára Adott paraméterekkel rendelkező dinamikus lengőrendszer pozitív hatása csak egy igen szűk fordulatszám-tartományban jelentkezik. Ettől a fordulatszám értéktől lefelé- vagy felfelé távolodva a hengerek feltöltési foka azonban rohamosan romlik A logikus fejlődés következő lépése ezért a fokozatokban változtatható hosszúságú szívócsőrendszerek alkalmazása volt. Az innovatív motortechnikák a fokozat nélkül, tehát folyamatosan változtatható hosszúságú szívócső-rendszereket alkalmazzák. Az elvi megoldást és a többhengeres motorokon való gyakorlati alkalmazást a 2-10 ábra szemlélteti. [11] Az elfordítható váltóhengerbe integrált kilépőnyílás aktuális helyzetétől függően változik az aktív szívócsőhossz és ezzel összefüggésben a hengerbe juttatott töltet (levegő) mennyisége. A fordulatszám függvényében a motormenedzsment által vezérelt szívócsőhossz lehetőséget teremt optimális nyomatéki karakterisztika és a maximális teljesítmény elérésére ábra: Változtatható paraméterű szívócső elvi- és gyakorlati kialakítása A modulszerűen kialakított váltóhengerek és a megfelelő tömítettséget biztosító házak üvegszállal erősített műanyagból (BASF ultramid ) készülnek. [12] 16

19 A folyamatosan változtatható hosszúságú szívócső előnye abban rejlik, hogy a tényleges nyomatéki karakterisztika a rendszerben rejlő összes tartalék kihasználásával a járműhajtás igényei szerint alakítható. [13] (2-11 sz. ábra) 2-11 ábra: Folyamatosan változtatható paraméterű szívórendszerrel megvalósítható nyomatéki karakterisztika Irányított levegőmozgás biztosítása a motorhengerben Az eddig ismertetett technikai megoldások a hengertöltet mennyiségére fókuszáltak, azaz a fejlesztők a Downsizing-elv értelmében kis hengertérfogatú motorból nyert nagy nyomatékkal, ill. teljesítménnyel igyekeztek a jármű igényeinek megfelelni. Új, minőségi szempontok figyelembe vétele akkor vált szükségessé, amikor a töltési fok, mint mennyiségi paraméter mellett a keverékképzési- és égési folyamat szempontjából felismerték a hengerbe belépő töltet irányított mozgásának jelentőségét (mint minőségi paramétert) is. Már mintegy fél évszázada ismert, hogy egyes keverékképzési- és égési eljárások esetében (például az MAN-M égési eljárásnál) a hengertöltet mennyisége mellett a hengerbe jutó töltet irányított mozgása, perdülete is meghatározó a tüzelőanyag-fogyasztás és a károsanyagkibocsátás mértékére. Kezdetben a henger tengelye körüli örvénylő mozgás, az úgy nevezett perdület iránti igény fogalmazódott meg, de később az arra merőleges síkban értelmezhető bukó-áramlás, az úgy nevezett tumble-áramlás jelentősége is nyilvánvalóvá vált. A kívánt áramlási viszonyokat a hengerfejben kialakított szívócsatornák vonalvezetésével, a csatornák keresztmetszetének alakváltozásával lehetett biztosítani. (tangenciális vagy perdület-csatorna) 2-12 ábra: A szelep kerülete mentén kilépő levegő ideális és egy konkrét modellen mért sebességeloszlása 17

20 Egyetemi tanulmányaim alatt 1966-ban a Jante professzor által vezetett IVK Intézet áramlástani laboratóriumában abszolvált mérnöki gyakorlati szemeszter alatt a Meurer-M keverékképzési és égési eljáráshoz nélkülözhetetlen légörvényt biztosító perdületszívócsatorna modellek kísérleti fejlesztése volt a feladatom. [14]A gyakorlati mérések és a az elméleti megfontolások is arra a következtetésre vezettek, hogy intenzív légörvény úgy biztosítható, ha a szabad szelepkeresztmetszeten hengerbe beáramló levegőnek a szívószelep kerülete mentén mért sebességeloszlása erősen aszimmetrikus. A 2.12 sz. képen bemutatott bal oldali ábra az optimális, tehát a maximális perdülethez tartozó sebességeloszlást mutatja a szelep kerületének egyes pontjaira szerkesztve. A jobb oldali ábra egy konkrét perdület-csatorna által létrehozott jellegzetes sebességeloszlást mutatja. A berajzolt vektorok a szabad keresztmetszet középvonalában Prandtl-csővel mért dinamikus nyomásértékeket mutatják nagyság és irány szerint. A mérések eredményei azt is megmutatták, hogy perdület-csatorna alkalmazása esetén a nagyobb perdület a csatorna áramlási ellenállásának növelésével jár együtt. Ez azt jelenti, hogy a nagyobb perdület a töltési fok csökkenését eredményezi. Amíg a perdület-csatorna majdnem a hengerfej síkjával közel párhuzamosan közelíti a szelepdóm felé, addig a bukóáramlást biztosító szívócsatorna felülről meredeken torkollik a szelepdóm térbe. Amíg Diesel-motoroknál gyakrabban alkalmazzák a perdület-csatornát, addig a közvetlen befecskendezéses, réteges keverékképzésű benzinüzemű motorok esetében a bukó-áramlásnak van kedvezőbb hatása az égésfolyamatra. A kisebb fordulatszám-tartományokban, elsősorban részterhelésnél a szükséges töltetmennyiség annyira lecsökken, hogy a névleges teljesítményekre méretezett szelepek szabad keresztmetszetében csak igen kis légsebességekkel számolhatunk. Ez negatív hatással van a keverékképzés minőségére. Korszerű motorkonstrukcióknál ezért lehetőség van a szívómodulba integrált elektromosan működtetett csappantyúk részleges zárására és újabban a perdület-csappantyúk működtetése mellett a változtatható paraméterű szelepvezérlés segítségével a szeleplöket csökkentésére vagy akár az egyik szívószelep kiiktatására is. A szívómodulba integrált elektromosan működtetett csappantyúk a levegőt a szeleptányérnak egy korlátozott szegmensű tartománya felé irányítják. Ennek hatására intenzív bukó-áramlás jön létre, ami javítja a keverékképzési és égési feltételeket és ezáltal nagy nyomaték elérését teszi lehetővé. [15] [16] 2-13 ábra: Tumble-csappantyú a szívócsőben Nagy fordulatszám-tartományokban a csappantyúk nyitott helyzetbe állítása következtében megnövelt töltés révén biztosítható a maximális teljesítmény. Más gyártók négyszelepes technika esetében a kis-fordulatszám-tartományokban az egyik szívócsatornát egy csappantyú elektromos működtetésével teljesen kikapcsolják 18

21 2-14 ábra: Szívócső lekapcsolás csappantyúval Változtatható paraméterű szelepvezérlés A változtatható paraméterű szelepvezérlés elnevezéssel azt a beavatkozást jelöljük, amikor a szelepműködtetés alábbi paraméterei közül egyet, többet, vagy valamennyit a motor igényeinek megfelelően üzem közben is megváltoztatunk: a szelep nyitási és zárási időpontjának változtatása (fázisszög) a szelep maximális nyitási értékének változtatása (löket) a szelep mozgástörvényének változtatása (a szelepnyitás és -zárás sebessége) A szelep kikapcsolása h Kipufogó. Szívó 2-15 ábra: Fázisszög és szeleplöket változtatása A változtatható méterű szelepvezérlések alkalmazásával nyert tapasztalatok teljesen új távlatokat nyitottak a motorikus üzem hatásfokának javításán dolgozó fejlesztőmérnökök előtt. A teljesítmény-, fogyasztás- és károsanyag-kibocsátás paraméterek kedvező alakításán túl reális lehetőség kínálkozik a benzinüzemű Otto-motorok fojtásmentes teljesítményszabályozására is. [17], [18] Annak függvényében, hogy csak egy vagy valamennyi releváns paraméter változtatható, megkülönböztetünk részleges- (RVP) vagy teljes változó paraméterű (TVP) szelepvezérlési rendszereket. A módosítás történhet diszkrét változásként vagy folyamatosan. A paraméterek változtatását a gyakorlatban megvalósító konstrukciós elképzeléseket csaknem 1000 (!) szabadalom védi. [19] A sorozatgyártásban jelenleg is alkalmazott és a szakmai publikációkból már ismert fejlesztések azonban néhány alapvető mechanizmusra vezethetők vissza: 19

22 Fázisszög állítás Az első berendezések kezdetben csak a szívó vezérműtengely két szöghelyzete (korai vagy késői nyitás) közül tudtak választani, de a legújabb változatok a szívó- és kipufogó vezérműtengely fázisszögének egymástól független folyamatos változtatására is képesek. Állítási mechanizmus A. B. C. D. A szívótengely szíj- vagy lánchajtásába történő beavatkozással (Variocam) Ferdefogazású hajtóagy axiális eltolása a vezérműtengelyen (hidraulikus hengerrel vagy elektromos állítómotorral) Vanos, TOYOTA VVT, stb. Hajtóagyba integrált hidraulikus szárnylapátos állítómotor (Hydraulik-Ring VaneCam stb) Hajtóagyba integrált elektromechanikus állítómotor (EVCP Electromotive Variable Camshaft Phasing) E. Vezérlőbütyök nélküli közvetlen elektromechanikus szelepműködtetés * F. Vezérlőbütyök nélküli közvetlen elektrohidraulikus szelepműködtetés * * fejlesztés alatt A mechanikai hatásfok szempontjából az A-változat esetében hátrányos, hogy nem csupán az állítási fázisban, hanem a teljes motorüzemben is az állítás mértékétől függő nagyságú mechanikai veszteségekkel kell számolni. Az elektromos működtetésű berendezések egyik előnye, hogy nem igényelnek esetenként az olajköri nyomásnál nagyobb nyomásszintű olajellátást, ami összességében a mechanikai hatásfok csökkenését is eredményezi. Szelep-löket állítás Állítási mechanizmus A. B. C. Eltolható vezérműtengely kúpos-térbeli bütykökkel (FIAT) Különböző bütyökkel együttműködő, külön kapcsolható himbák vagy csészés emelők (Honda VTEC, Mitsubishi MIVEC, Porsche Variocam Plus, stb.) Állítható forgástengelyű (változó áttételű) menesztő himba (BMW Valvetronic) Figyelemreméltó, hogy gyakran nem maguk a motorgyárak, hanem szakosodott cégek fejlesztik és gyártják nem egyszer több motorgyár részére is- az előszerelt állító berendezéseket. (INA, HYDRAULIKRING, ITT, Siemens, Bosch, AVL stb.) 20

23 A változtatható paraméterű szelepvezérlés alkalmazásával elérhető motorikus előnyök A változtatható paraméterű szívócső-feltöltéssel kombinálva a változtatható paraméterű szelepvezérlés alkalmazásával 3 kiemelt területen kínálkozik lehetőség a motorparaméterek javítására: Tüzelőanyag-fogyasztás Teljesítmény (nyomaték) Károsanyag-kibocsátás A motor különböző terhelési-tartományában elvégzett vizsgálatok alapján a BMW szakemberei a változtatható paraméterű szelepvezérlés egyes komponenseinek kihasználása mellett elérhető fogyasztás javulásokat a 2-16 sz. diagramnak megfelelően prognosztizálják. [20] Fogyasztás [%] EMVG - ciklus Hagyományos szelepvezérlés Szívó vez.-teng. fázisszög Szívó+kip. vez.-teng. fáziss zög Fázis szög + szeleplöket alapjárat részterhelés teljes terhelés Motor terhelés 2-16 ábra: Változtatható szelepvezérlési paraméterek hatása a fogyasztásra Megállapítható, hogy első sorban a terheletlen üresjárat és a részterhelési üzemállapotban érhetők el kedvező paraméter-változások. Ezt persze nem szabad lebecsülni, hiszen ez az az üzemi tartomány, amely a vegyes forgalmi viszonyok között üzemelő járművekre leginkább jellemző és a szabványos fogyasztásméréskor is mértékadó. A fázisszög változtatása A szelepek fázisszögének változtatatásával a hengertöltet és ezzel a motornyomaték nagyságát hasonlóképpen lehet befolyásolni, mit a szívócső hosszának módosításával. A kipufogószelepek fázisszögét változtatva a nyomatéki karakterisztika alig változik, de a szívószelepek nyitási szöghelyzetének változtatása hatással van a hengerbe jutó töltet mennyiségére. Az így kapott nyomatéki karakterisztika természetesen függ az adott motor szívócső-rendszerének kialakításától, a szívórendszerben kialakuló nyomáshullámok paramétereitől. A 2-17 sz. diagram egy Mercedes motoron végzett vizsgálat eredményeit mutatja. [21] Ha az egyes jelleggörbék közötti különbség nem nagy, akkor a fejlesztési menedzsmentnek kell döntést hoznia arról, hogy a sorozatgyártásban az egyszerűbb és a karbantartás tekintetében is olcsóbb kétfokozatú állító-berendezést, vagy a műszakilag ugyan igényesebb, de drágább, több ill. bonyolultabb hidraulikus és elektronikus modult igénylő folyamatos állítási lehetőséget biztosító rendszert vezetik-e be? 21

24 A döntés során persze figyelembe kell venni a fogyasztási- és károsanyag-kibocsátási paraméterek alakulását is és az esetek többségében kompromisszumos megoldást kell találni sz. ábra Szívószelepek fázisszögének hatása a motor nyomatéki karakteristrikájára Nyomaték [%] Optimális fázisszög konstans késői Konstans korai Fordulatszám [f/p] A hagyományos rendszerek közül a vezérműtengelyeket hajtó agyba integrált szárnylapátos állítómotoros VaneCam berendezés egyébként igen rugalmasan illeszthető a mindenkori motor igényeihez. A fázisszög állítási tartományának változtatásához csak a munkateret képező állórész kamráinak szögtartományát kell módosítani. A folyamatosan változtatható fázisszög igénye esetén a tengely szöghelyzetét érzékelő- és azt feldolgozó elektronika mellett egy, a szárnylapátok megfelelő oldalára kivezérelt olajáramot biztosító szabályzószelepet kell beépíteni. A kipufogó vezérműtengely esetében általában elegendő egy kétállású berendezés alkalmazása, a szívó vezérműtengely esetében azonban egyre több gyártó a folyamatos állítást biztosító berendezés mellett dönt. A szívószelepek korai nyitása a kisebb fordulatszámok tartományában, míg a késői nyitás a nagy fordulatszámok tartományában van pozitív hatással a hengertöltet és ezzel a nyomaték alakulására. A korai szívószelep-nyitás hatásában így megfelel egy hosszú szívócsővel-, a késői szívószelep-nyitás pedig egy rövid szívócsővel kapott értékek jellegének. Innen már logikus lépés a két technika, a 2 szívócső-hossz és a 2 vezérmű-tengely fázisszög kombinációja, amellyel a motor teljes fordulatszám-és terhelési tartományában finomabb hangolást lehet elérni a nyomatékrugalmasság javítása és a fogyasztás-, valamint a károsanyag-kibocsátás csökkentése területén ábra: VW motornál alkalmazott vezérlési stratégia 22

25 A 2-18 sz. ábra egy hathengeres V-hengerelrendezésű VW-motor [22] példáján szemléletesen mutatja az alkalmazott vezérlési stratégiát. Részterhelésben a szívószelepek korai és a kipufogószelepek késői nyitása néhány százalékos fogyasztáscsökkenést eredményez. Emellett a nagyobb szelep-egybenyitási értékek hatására úgynevezett belső kipufogógáz-visszavezetés jön létre. Ezzel az intézkedéssel jelentős mértékben csökkenthető a motor NO x, és kisebb mértékben a HC kibocsátása is. Egy stabil és alacsony szintű üresjárati fordulatszám biztosításához csökkenteni kell a szelepegybenyitási tartományt, amit a kipufogószelepek korai zárásával és a szívószelep késői nyitásával lehet elérni. Az MVEG menetciklusban mért fogyasztási értékeket a motor üresjárati fogyasztása is jelentős mértékben befolyásolja. Az üresjárati fogyasztás csökkentésének leghatékonyabb eszköze a lehető legkisebb, de még stabil fordulatszám alkalmazása. Ennek értékére a szelepegybenyitás mértéke igen jelentős hatással van, amivel szabályozni lehet a töltetcsere után a hengerben visszamaradó ún. maradék-gáz koncentrációját. A késői szívás-kezdet és a korai kipufogószelep zárás a szelepegybenyitás mértékét csökkenti. Ezáltal a kipufogógáz beáramlása a szívócsőbe és a henger maradékgáz-tartalma is lecsökken. Alapjárati fogyasztás [liter/h] 1,2 1,0 0,8 0,6 0, n = 800 f/p HC= 18 g/h Gyújtás: 16 Ft0 FHP előtt CO: 1% 0-10 n = 600 f/p HC= 7,6 g/h n = 500 f/p HC= 6,3 g/h n = 800 f/p HC= 5,3 g/h Szelep-egybenyitás változtatása [FT 0 ] 2-19 ábra Szelepegybenyitás hatása az alapjárati motor-paraméterekre Ez kedvezőbb égési feltételeket teremt, a láng terjedési sebessége megnő, a hengernyomás ciklusonkénti ingadozása lecsökken. Ennek következményeképpen a fordulatszám tovább csökkenthető. Egy konkrét motoron az alapjárati fordulatszám csökkentése érdekében végzett beszabályozás lépéseit mutatja a 2-19 sz. diagram. A kiindulási állapotot jelentő n=800 1/perc motorfordulatnál a szelepegybenyitás értékének a későbbi szívószelep-nyitással megvalósított 24 FT 0 fokkal történő csökkentése 0.18 liter/óra fogyasztáscsökkenést és mintegy 70%-os szénhidrogén-kibocsátás csökkenést eredményezett. A fordulatszám emellett olyannyira stabilizálódott, hogy az üresjárati fordulatszámot 800 ford/p értékről 500 ford/p-értékre lehetett visszavenni, ami további 0.35 liter/óra fogyasztáscsökkenéshez vezetett, anélkül, hogy a szénhidrogén kibocsátás lényegesen növekedett volna. Teljesítményszabályozás Közismert a benzinüzemű Otto-motorok ún. mennyiségi teljesítmény-szabályozásból eredő hátránya, ami elsősorban a részterhelési üzemállapotban okoz a Diesel-motorhoz képest jelentős hatásfok romlást. Ez azzal magyarázható, hogy az állandó benzin-levegő keverési 23

26 arányt feltételezve a kisebb terhelések tartománya felé haladva a hengerbe bejutó levegő-töltet mennyiségét egy a szívócsőben elhelyezett fojtószelep segítségével a mindenkori terhelés függvényében kell a motor számára biztosítani. A nagyobb fojtású részterhelési tartományokban emiatt aránytalanul megnőnek a töltetcsere veszteségek ábra: Teljesítményszabályozás fojtással, a szívószelep korai zárásával és késői zárásával Jante [23] már fél évszázada elemezte a különféle teljesítmény-szabályozási lehetőségeket, de probléma általános megoldására a technikai előfeltételek csak napjainkban állnak rendelkezésre. Az egyik technikailag legkönnyebben megvalósítható, jóllehet termodinamikailag messze nem tökéletes alternatíva, hogy a fojtószelep helyett a szívószelep zárásának változtatásával érjük el a hengerbe jutó töltet mennyiségének megválasztását. (2-20 sz. ábra) A konkrét technikai megoldást a BMW Valvetronic rendszerén keresztül mutatom be. A Valvetronic nem csak a szívószelep zárását változtatja, hanem a szívószelep nyitásának módosítását is igénybe veszi a hengerbe jutó töltetmennyiség alakítására. A vezérlési stratégiát a 4-21 sz. ábra szemlélteti 2-21 ábra BMW Valvetronic teljesítményszabályozás stratégiája A motor névleges teljesítményének megfelelő üzemállapothoz tartozó 9 mm-es maximális- és az üresjárati 0,2 mm-es szelepnyitás között a változik a szelepnyitás értéke. Mivel a kisebb nyitási értékekhez kisebb nyitvatartási intervallum is tartozik (lásd 2-14 sz. ábra is), megvalósítható a szelep korábbi zárása. A technikai megvalósítás részletei a 2-22 sz. ábrán láthatók. 24

27 állító motor excenter bütyök közbenső emelő 2-22 ábra BMW Valvetronic szelepműködtető berendezés görgős lengő himba vezérlő bütyök A változtatható szeleplöket egy kiegészítő emelővel, az ún. közbenső emelővel és a hozzá kapcsolódó excenter-bütyökkel realizálható. Egy rugó gondoskodik arról, hogy a közbenső emelő az excenter-bütyökre és a vezérlő-bütyökre is támaszkodjon. Az excenter-bütyök helyzete határozza meg azt a pontot, amely körül a közbenső emelő elfordul és vezérlőbütyök által kiváltott mozgást a szelepet működtető görgős lengőhimba felé továbbítja. A tényleges szelep-elmozdulást a bütyökprofil mellett a közbenső emelő forgástengelyének az állítható excenterbütyök által meghatározott helyzete és a szelephimbával együttműködő emelőszakasz geometriai alakja határozza meg. A szelepvezérlés szerves része továbbá a szívó- és kipufogó vezérműtengely fázisszögét változtató Vanos rendszerű hidraulikus állító-berendezés is. A szívó vezérműtengely állítási szögtartománya 60 FT 0. A súrlódási veszteségek csökkentése érdekében, nevezetesen a csúszó súrlódás kiváltására a szelephimbán és a közbenső emelőn görgőket alkalmaztak. A vezérműtengely hajtásához szükséges nyomaték a közbenső emelő súrlódási veszteségei miatt ennek ellenére nagyobb (!), mint a hagyományos szelepműködtetés esetén. A 3 mm-nél kisebb szelepemelések tartományában viszont a kisebb rugóerők miatti előnyök hatására a Valvetronic-vezérlés már kedvezőbb mechanikai hatásfokkal működik. (2-23 sz. ábra) 2-23 sz. ábra Vezérműtengely hajtónyomatéka hagyományos és Valvetronic szelepvezérlés 25

28 A kis szelepnyitási értékek motorikus előnyei Az alsó részterhelési tartományban üzemelő motorok esetében a teljesítményszabályozás mellett igen jelentős érvek szólnak a kis szelepnyitási értékekkel (1-2 mm) üzemelő szelepvezérlés mellett. [24] [25] A csökkentett keresztmetszeten a hengerbe áramló hengertöltet nagy, és szinte a teljes szelepkeresztmetszetre kiterjedően egyenletes eloszlású sebességgel lép be a hengerbe. A csökkenő szelepnyitások felé haladva csökken a cseppformában a hengerbe lépő tüzelőanyag hányada. A benzin egyre inkább finom ködszerű eloszlásban tölti ki az égésteret. Az égésfolyamat kedvezőbb hatásfokát a tüzelőanyag-fogyasztás csökkenése is jelzi. A csökkenés mértéke p i = 1,5 bar terhelési szinten eléri a 15%-ot. A végrehajtott mérések az alábbi előnyöket is igazolják: csökken a gyulladási késedelem csökken az égési időtartam Csökken a ciklikus hengernyomás-ingadozás Csökken a HC (60 %!!) és a CO kibocsátás Az egyébként alacsony szintű NOx kibocsátás azonban mintegy 20%-kal megnő és a töltetcsere-veszteségek is 1mm-es szelepemelkedésnél már enyhe növekedést mutatnak. Más gyártók, pl. Porsche, az előbbiektől eltérő módon oldotta meg a nagy- és kis terhelésekhez tartozó légnyelések különbségéből adódó problémát. A Porsche cég és partnerei (INA, Bosch) által kifejlesztett VarioCam Plus rendszer a vezérműtengelyek fázisszögét és a szeleplöketet képes a motor igényeinek megfelelően két-két fokozatban változtatni. (2-24 ábra) A fázisszög-változtatása A vezérműtengelyen axiális irányban elhelyezett hidraulikus működtetésű dugattyú a belső fogazású állórészt a külső fogazású forgórész felé mozdítja. A ferdefogazásból adódóan az axiális elmozdulás egy 15 fokos vezérműtengely elfordulást eredményez, ami a főtengely szögelfordulásra vonatkoztatva 30-fokos állítási lehetőséget biztosít. Szeleplöket állítás A szeleplöket változtatásához egy olyan integrált szelepemelőt alkalmaznak amely két koncentrikus, egymásba csúszó szelepemelő csészéből áll, melyeket külön vezérlőbütykök működtetnek. A berendezéssel két működési állapot, azaz kétféle szelepemelés valósítható meg ábra VarioCam Plus szelepműködtető berendezés 26