Elektronikai alkalmazások a korszerű gépjárművekben. 1. modul Benzinmotorok keverékképzése, benzinbefecskendező rendszerek

Átírás

1 Elektronikai alkalmazások a korszerű gépjárművekben 1. modul Benzinmotorok keverékképzése, benzinbefecskendező rendszerek Az egész életen át tartó tanulás fejlesztése az intézmények közötti nemzetközi együttműködéssel TÁMOP /

2 Szemere Bertalan Szakközépiskola, Szakiskola és Kollégium Szerkesztette: Fodor László Lektorálta: Blága Csaba A kiadvány az INTER-STUDIUM - Az egész életen át tartó tanulás fejlesztése az intézmények közötti nemzetközi együttműködéssel című, TÁMOP / számú projekt keretében készült. A projekt az Európai Unió támogatásával, a Társadalmi Megújulás Operatív Program társfinanszírozásával valósul meg

3 TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS A belső égésű motorok tüzelőanyagai A kipufogógáz alkotóelemei A kipufogógáz alkotóelemei ideális állapotban A kipufogógáz alkotóelemei valóságos állapotban A kipufogógáz tényleges összetételét meghatározó motorikus feltételek A keverék összetételének hatása Az égéstér hatása A szennyezett munkaközeg hatása A tüzelőanyag összetételének hatása A konstrukciós jellemzők hatása Az üzemi paraméterek hatása A kipufogógázban lévő szennyezőanyagok koncentrációjának mértékegységei A keverék-összetétel jellemzői Keverési arányok, levegőarányok A rossz műszaki állapot és a motortuning emissziónövelő hatása Ellenőrző kérdések A benzinbefecskendezés fejlődése A benzinbefecskendezés A benzinbefecskendezés előnyei a porlasztóval szemben Benzinbefecskendező berendezések csoportosítása Mechanikus vezérlésű benzinbefecskendezés Bosch-benzinbefecskendező (EP/ZEA 2KL) Kugelfischer-befecskendező Lucas-benzinbefecskendező Elektronikusan vezérelt benzinbefecskendezés

4 8.1. D-Jetronic benzinbefecskendező rendszer L-Jetronic benzinbefecskendező rendszer LH-Jetronic benzinbefecskendező rendszer Bosch-K-Jetronic benzinbefecskendező rendszer KE-Jetronic benzinbefecskendező rendszer Mono-Jetronic központi benzinbefecskendező rendszer A tüzelőanyag-rendszer főbb szerkezeti elemei Tüzelőanyag tartály Tartályszellőztető rendszer Szivattyú Nyomásszabályzó Befecskendezőszelep A levegőrendszer főbb szerkezeti elemei, azok felépítése és működése Szívócsőfűtés Fojtószelep-állító Mono-Jetronic rendszer érzékelői, bemeneti információi Motorfordulatszám jel Motortehelési jel fojtószelep potenciométer Motorhőmérséklet jeladó Levegő-hőmérséklet jeladó Alaphelyzet kapcsoló Oxigénszenzor lambda-szonda Ellenőrző kérdések Felhasznált irodalom

5 BEVEZETÉS A növekvő gépjárműpark fokozódó környezetterheléshez vezet, ami összefügg az éghajlatváltozással is. A környezetvédelem az egész társadalom feladata. A közlekedést az egyik legnagyobb környezetszennyezőnek, a globális problémák egyik fő okozójának tartják. Levegőszennyezés tekintetében a közlekedés Magyarországon az első helyen áll, a levegőszennyezés 50-60%-ért felelős. Az egészségre káros légszennyező anyagok kibocsátása az üzemanyag fogyasztással szorosan összefüggő szén-dioxid (CO 2 ) meghatározó szerepet játszik a globális felmelegedésben. A közúti gépjárművek üzemelése során kibocsátott gázok nagy része a nitrogén (N 2 ) és víz, kb. 10%-a szén-dioxid és 1-2%-a olyan káros anyag, mint a szénmonoxid (CO), nitrogénoxidok (NO x ), szénhidrogén (CH), kéndioxidok (SO 2 ), és szilárd részecskék (korom). A közúti közlekedés levegőszennyezése elsősorban a városok, települések útjai mellett okoz jelentős környezeti és egészségügyi problémákat. Különösen a csúcsforgalmi időszakokban a gyakori indulásoknál és gyorsításoknál a szennyezőanyag-kibocsátás többszöröse az egyenletesen haladó gépjárművek emissziójának. A környezetünk védelme szempontjából ezért nagyon fontos egyrészt a belső égésű motorok technikai színvonalának fejlesztése (pl. hengerenkénti 4-5 szeleppel és az üzemállapothoz igazítható vezérléssel felszerelt, közvetlen befecskendezésű szabályozott katalizátoros motorok) másrészt a motorkonstrukciók változtatásával párhuzamosan az üzemanyagok további fejlesztése, alternatív hajtóanyagok használata. 1. A belső égésű motorok tüzelőanyagai A belső égésű motorok tüzelőanyagait szénből és hidrogénből álló molekulák alkotják. Ide tartoznak a kőolaj alapanyagból előállított folyékony tüzelőanyagok: a benzin és a gázolaj, illetve a petróleum és a kerozin, valamint a gázhalmazállapotúak: a propán és a bután (PB vagy angol rövidítéssel LPG). Ebbe a csoportba tartozik a földgáz, mely lehet folyadék fázisú (LNG) vagy sűrített gázhalmazállapotú (CNG). Szénhidrogén motorhajtóanyagok készülhetnek növényi alapanyagból is. Ez lehet gáz vagy folyékony halmazállapotú. A távolabbi jövőben esélye van annak, hogy tisztán hidrogén tüzelőanyagú belső égésű dugattyús motorok is sorozatgyártásba kerüljenek. A tüzelőanyagokat különböző célból adalékolják (oktánszámnövelés, cetánszám beállítás, tisztítás, kenőképesség fokozás stb.). A motorbenzinek oktánszámnövelő ólomadalékolása megszűnt, és október 15-től a 98-as oktánszámú motorbenzinek ólompótló adalékot sem tartalmaznak. 5

6 2. A kipufogógáz alkotóelemei 2.1. A kipufogógáz alkotóelemei ideális állapotban Tökéletes égés során a gyakorlatban nem realizálható ideális állapotban, a hengertérben lévő tüzelőanyag valamennyi szén (C) atomja széndioxiddá (CO 2 ) oxidálódik, tehát a szén égésterméke a CO 2. A tüzelőanyag hidrogén (H) eleme, a szénhidrogén molekulák hidrogénje, tökéletes égésnél vízzé (H 2 O) oxidálódnak. Tökéletes égést feltételezve a belső égésű motorok kipufogógázát az alábbi komponensek alkotják: nitrogén gáz (N 2 ): a hengertérben lévő levegő alkotója, széndioxid (CO 2 ): a tüzelőanyag szénatomjainak oxidációs terméke, víz (H 2 O): a tüzelőanyag hidrogénatomjainak oxidációs terméke, oxigén (O 2 ): ha a motor 1-nél nagyobb légviszonnyal működik. Az égés tökéletes jelzője azt jelenti, hogy az oxidáció maradéktalanul végbemegy. ennek egyik előfeltétele, hogy a tüzelőanyag-levegő keverékében a szükséges (vagy több) oxigén legyen jelen, annyi, amennyi az égéstérben lévő tüzelőanyag szénjének és hidrogénjének elégetéséhez szükséges. Az így alkotott keverék az elméleti keverési arányú (idegen szóval sztöchiometrikus összetételű) keverék. Ekkor a légfelesleg tényező (lambda) értéke: λ = 1. A CO 2 ún. üvegház hatású gáz, csökkentése kisebb tüzelőanyag tömeg bevitellel, tehát a gépjármű tüzelőanyag-fogyasztásának a csökkentésével, a motor hatásfokának növelésével, a menetellenállások csökkentésével lehetséges A kipufogógáz alkotóelemei valóságos állapotban A belső égésű motorok égésterében az égés során végbemenő folyamatok az ideálistól jelentősen eltérnek. ennek megfelelően a környezetszennyező anyagok is megjelennek a kipufogógázban. A valóságos motor kipufogógázában, üzemállapottól függő koncentrációban, az alábbi anyagfajták találhatóak (1. ábra): nitrogén (N 2 ), oxigén (O 2 ), széndioxid (CO 2 ), víz(gőz) (H 2 O), szénhidrogének (C n H m ) és szénhidrogén vegyületek nitrogén-oxidok (NO x ), szénmonoxid (CO), részecske (PM), illetve az ezzel nem teljesen azonos dízel-füst. 6

7 1. ábra A kipufogógázok összetétele 3. A kipufogógáz tényleges összetételét meghatározó motorikus feltételek Miért tér el a valóságos kipufogógáz összetétel az ideálistól? Az eltérés okait az ideálistól eltérő keverék-összetételben, valamint az égésfolyamat ideálistól eltérő feltételeiben és sajátosságaiban kell keresnünk. Nézzük meg, hogy a kipufogógáz összetétele miként függ a keverék összetételétől, a keverési aránytól A keverék összetételének hatása A keverék összetétele a kipufogógáz összetevők fajtáit és azok mennyiségét (koncentrációját) alapvetően meghatározza (2. ábra). 2. ábra A keverékösszetétel hatása Otto-motor nyers emissziójára A keverék összetételét megadhatjuk a hengertérbe belépő levegőtömeg és tüzelőanyagtömeg arányszámaként. Ez a keverék globális adata. 7

8 Belső keverékképzésű motoroknál (dízel- és közvetlen befecskendezésű Otto-motorok) is ez a globális keverék-jellemző, de az égés szempontjából ennél fontosabb az égéstéren belül, a lángfront környezetében kialakuló összetétel. Ez utóbbit tervezetten is alakíthatjuk. Minden belső keverékképzésű rendszerben tudatosan alakítják ki az égés szempontjából kedvező összetételű zónákat. Az égéstér egészére vonatkoztatott és az égéstérben helyileg uralkodó légviszony eltérése különös hangsúlyt kap a közvetlen benzinbefecskendezésű motoroknál (VW AG FSI, Mitsubishi GDI stb.). Ezek a motorok rétegezett keverékképzéssel vagy osztott égéstérrel működnek. A rétegezett keverék-képzés azt jelenti, hogy a helyi légviszony értékét tudatosan állítják be. A gyertyaközeli zóna λ = 1 értékű (mert nagy biztonsággal ilyen összetételű keverék gyújtható meg szikrával). A lángfront azonban már a hígabb keverékben is tud haladni (λ = 1,5 2,5). A következőkben nézzük meg, hogy a kipufogógáz utókezeletlen, ún. nyers összetétele az alkotók koncentrációja, miként alakul különböző légviszony értékeknél. Tüzelőanyagban dús keverék (0,8 < λ < 1,0). Ha a szükséges oxigén kevesebb, mint ami a tökéletes égéshez szükséges, akkor nem mehet végbe maradéktalanul a tüzelőanyag oxidációja. A szén oxidációja során először szénmonoxidot alkot, és csak ezt követően széndioxidot. Mivel nincsen elegendő oxigén jelen, ezért megnövekszik a szénmonoxid koncentrációja. A szénhidrogén-emisszió csekély koncentrációjára a dús keverék (λ ~ 0,9) kedvezően hat, mert a biztosan és gyorsan haladó lángfront miatt nem maradnak teljesen vagy részben kiégetlen zónák. A fokozottan dús keverékben (λ ~ 0,8) jelentős a szénhidrogének koncentrációja, megnő a szemet ingerlő, kellemetlen szagú termékek mennyisége. A nitrogénoxidok azonban eltűnnek, egyrészről a dús keverék kisebb égési csúcshőmérséklete, másrészről a nitrogénoxid belső hengertérben lezajló redukciója miatt (2CO + 2NO 2CO 2 + N 2 ). Enyhén dús keveréknél (λ ~ 0,95) szolgáltatja a motor a legnagyobb nyomatékot. Tüzelőanyagban szegény keverék (1,0 < λ <1,15). Hagyományos szikragyújtású, külső keverékképzésű motoroknál a keverék kb. csak λ = 1,15-ig hígítható, mert az elhúzódó és bizonytalan lángterjedés és égés miatt a normál motorüzem tovább már nem tartható fenn. Fokozottan szegény keveréknél a bizonytalanul haladó lángfront a szénhidrogén emissziót megsokszorozza. A CO emisszió, a szegény keverék miatt minimum szinten van. A nitrogénoxid emisszió λ = 1,05 környezetében maximumát éri el. A nitrogénoxid képződés maximumhelyén kapjuk általában a legjobb fajlagos fogyasztású 8

9 motorüzemet. Az NO x koncentrációja ennél nagyobb lambda értéknél csökken. Elméleti keverék (λ = 1). A CO és a HC minimumértéke közelében van, az NO x közel maximumértéke előtt. A redukáló és oxidáló (három komponensre ható vagy redox) katalizátorral történő kipufogógáz-tisztításnál azonban csak az ebből az összetételű keverékből származó nyers kipufogógáz adja a katalizátor után az optimális eredményt, tehát CO, HC és NO x komponensekre nézve a minimális emissziót Az égéstér hatása Az égéstér, a motor hengertere a kémiai folyamatokra hatással van. Az égéstér falainak közvetlen közelében más reakciók mennek végbe, mint a szabad gáztérben. Az ún. falközeli rétegekben lángkialvással és a reakciók befagyásával kell számolni. Ezekből a zónákból származik a részben oxidált, káros szénhidrogén-vegyületek döntő többsége, Lángkialvási zónát találunk mindenütt a falak mellett, továbbá a hengerfal, első kompressziógyűrű, dugattyú korona közötti térben, valamint a dugattyútető és a hengerfej zónájában (3. ábra). 3. ábra A lángkialvási zóna a gyűrű-övben 3.3. A szennyezett munkaközeg hatása A visszamaradt vagy visszavezetett kipufogógáz csökkenti a csúcshőmérsékletet, így a képződő nitrogénoxidok mennyiségét csökkenti. Ez az emissziótechnikai rendszer a kipufogógáz visszavezetés (EGR Exhaust Gas Recirculation vagy németül AGR), mely a motor szelepvezérlés révén lehet ún. belső visszavezetés is. A friss töltetbe a kartergázt is bevezetik, mert a szabadba történő kartergáz-szellőztetés nem engedélyezett A tüzelőanyag összetételének hatása A tüzelőanyag összetétele elsősorban a szénhidrogén-emissziót befolyásolja. A motorbenzinek aromás összetevői közül a benzolt tartják az egyik környezetre legkárosabb vegyületnek. A benzol a legillékonyabb aromás vegyület, amely egyrészről a benzin párolgása következtében kerül a légtérbe, másrészről benzol a motorban is keletkezik az égés során. 9

10 Mind a gázolaj, mind a motorbenzinek kéntartalmát erőteljesen csökkenteni kell. Dízelmotoroknál elsősorban a részecskealkotó szerepük miatt, benzinmotoroknál az NO x tároló, illetve a redukáló katalizátorok védelme érdekében A konstrukciós jellemzők hatása Milyen motorikus paraméterek hatnak a kipufogógáz összetételére? A kipufogógáz-emissziót szinte minden motorjellemző megváltozása megváltoztatja. A konstrukciós paraméterek között például a kompresszió viszony, az égéstér kialakítása, a löket/furat viszony, a hengertér térfogat/határoló felület aránya, az illesztések, a gyűrűk helyzete, az égéstérfalak hőmérséklete, a vezérlés paraméterei, a gáztöltet mozgása. A konstruktőrök ezen paraméterek emisszióra gyakorolt hatását is ismerve tervezik meg a motort. Minden utólagos beavatkozás, például a kompresszióviszony növelése, a vezérlés módosítása elhangolja a motort, a motor szennyezését megnöveli Az üzemi paraméterek hatása Az előgyújtás, illetve az előbefecskendezés megváltoztatása, tuningoltatása adhat bizonyos szempontból jobb motort, mint a gyári beállítás, de a szennyezőanyag emissziót esetleg sokszorosan is megnöveli. A 4. ábrasorozat az Otto-motor előgyújtásának hatását szemléleteti a fajlagos tüzelőanyag fogyasztásra (a), a HC (b), a NO x (c) és az CO (d) anyagok kibocsátásának koncentrációjára. fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás a.) b.) 10

11 c.) d.) 4. ábra Az előgyújtás hatása a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztásra és a főbb szennyezőanyagok koncentrációjára a légviszony függvényében A dízelmotor előbefecskendezésénél minél korábbi a befecskendezés, annál nagyobb az égési folyamat csúcshőmérséklete. A hőmérséklet növekedése és a nitrogénoxid koncentráció növekedése egyenes arányban van (5. ábra). (forrás: Bosch) 5. ábra Dízelmotor előbefecskendezési szögének függvényében az NO x és a HC koncentrációjának alakulása A kipufogógáz visszavezetés a nitrogénoxidok keletkezését tizedére csökkenti. Eközben azonban a HC-kibocsátás növekszik. Tehát a kipufogógáz visszavezetést is optimalizálni kell. A kipufogógázvisszavezetés az Otto-motorok részterhelési üzemében, egy határig csökkenti a fogyasztást (6. ábra). 11

12 (forrás: Bosch) 6. ábra A kipufogógáz visszavezetés hatása az NO x, a HC és a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztásra a légviszony függvényében 4. A kipufogógázban lévő szennyezőanyagok koncentrációjának mértékegységei Térfogat-százalék Azt jelenti, hogy 100 térfogategységben hány térfogategységet tölt ki az adott anyagfajta. Ha a CO koncentrációja a kipufogógázban 3,5 tf%, az azt jelenti, hogy 100 térfogategység kipufogógázt vizsgálva, abban 3,5 térfogategység szénmonoxid van. Jele: tf% (lehet Vol%, V/V%). Milliomodrész A milliomodrész vagy ppm (parts per million) esetében a viszonyítási alap a térfogat 1 millió egysége. Ha a szénhidrogén emisszió 200 ppm, az azt jelenti, hogy 1 millió kipufogógáz térfogategységet vizsgálva abban 200 térfogategységnyi szénhidrogén van. A milliomod-részben megadott koncentráció jele: ppm. A térfogatszázalék és a ppm közötti átszámítási kapcsolat: 1 tf% = ppm, illetve 1 ppm = 10-4 tf% Ha egy katalizátoros Otto-motor CO kibocsátása például 0,03 tf%, akkor ez ppm mértékegységben 300 ppm. Ha egy kétütemű motor szénhidrogén kibocsátása 6000 ppm, akkor az 0,6 tf%. A hatóságilag megadott (határ)értékek anyagfajtánkénti szokásos mértékegységei: CO tf% CO 2 tf% O 2 tf% HC ppm NO x ppm 12

13 A gázelemző szerviz-műszerek is ezekben a mértékegységekben jelzik ki a mért értékeket. Típusvizsgálati mértékegységek Ha típusvizsgálat során motorféktermi vizsgálatok során állapítják meg az emissziót, a motor munkaegységére vetítik a kibocsátott kipufogógázalkotó mennyiségét, mértékegysége g/kwh. Példaként álljon itt a haszongépjárművek EURO 3-as határértéksora: [CO] 0,21 g/kwh [HC] 0,66 g/kwh [NO x ] 5,0 g/kwh [PM]*0,1 g/kwh A személygépjárművek szennyezőanyag kibocsátását a típusvizsgálat során menetciklusban mérik, ezért a ciklusban futott út egységére vetítve adják meg a koncentrációt: pl. CO = 2,3 g/km vagy NO x = 0,15 g/km Megadható a koncentráció az egész tesztre vonatkoztatva is, pl. CO (g=teszt). Hatósági előírás kötelezi a gépjárműkereskedőket, hogy az új autók széndioxid kibocsátását tüntessék fel a gépjármű adattábláján, például CO 2 = 145 g/km A keverék-összetétel jellemzői A belső égésű motorok alapjellemzője, hogy munkaterükben a tüzelőanyag kémiailag kötött energiájának felszabadítása tüzelőanyag és levegő keverékéből történik. A keverék, azaz a levegő és a tüzelőanyag mennyiségi összetételét arányszámokkal írjuk le Keverési arányok, levegőarányok Megkülönböztetünk elméleti és gyakorlati keverési arányt. Az elméleti keverési arány (sztöchiometrikus arány) 1:14,8, azaz 1 kg benzin tökéletes elégetéséhez 14,8 kg levegő szükséges. A valóságos keverési arány a motor hőmérsékletének, fordulatszámának és terhelésének függvényében eltér az elméleti értéktől. Ha a tüzelőanyag-hányad nagyobb, pl. 1:13, akkor dús keverékről, ha kisebb, pl. 1:16, akkor szegény keverékről beszélünk. A keverék csak az 1:10 és 1:18 tüzelőanyag-levegő arány között gyújtható meg. Hideg motorban a tüzelőanyag párolgása gyengébb. Kis motorfordulatszámon a tüzelőanyag porlasztása rosszabb. Ezért annál dúsabb keveréket kell előállítania, minél hidegebb a motor és minél kisebb a fordulatszám. 13

14 Indításkor rendkívül dús (1:3) keverékre van szükség, mivel a tüzelőanyag egy része lecsapódik a szívócső, valamint a hengerek hideg falára, és kezdetben nem párolog el. Kifogástalan (egyenletes) alapjárathoz és a nagyobb fordulatszámokra való jó átmenethez az ideálisnál 30 40%-kal kevesebb levegőt tartalmazó, dús keverék szükséges. A középső részterhelési tartományban (normális haladás) a kis fogyasztás érdekében szegény keverék kívánatos (10 30% levegőfelesleg, leggazdaságosabb működés). Teljes terhelésen és a kis részterhelési tartományban dúsabb keverék (kb. 10%-kal kevesebb levegő) szükséges. Teljes terhelés. Teljes terhelésen a motor teljesen nyitott fojtószelepű működését értjük. Ennek során különböző motorfordulatszámok és teljesítmények állnak be, pl. teljes terhelés maximális sebességen vagy teljes terhelés emelkedőn haladva. Részterhelés. Részterhelésen a motornak a nem teljesen nyitott fojtószelepnél fennálló működési jellemzőit értjük. A motor fordulatszáma és teljesítménye ebben az esetben is különböző lehet. Elméleti keverési arány (kb. 1:14,8) esetén a λ légfelesleg-tényező értéke 1. A légfelesleg-tényező az égéshez ténylegesen bevezetett levegőmennyiség és a tökéletes égéshez szükséges, elméleti levegőszükséglet aránya (7. ábra). Légfelesleg-tényező = Tényleges levegőmennyiség, kg Elméleti levegőszükséglet, kg 7. ábra A λ légfelesleg-tényező 5. A rossz műszaki állapot és a motortuning emissziónövelő hatása A keverékképzési és gyújtáshibával üzemelő, a rosszul beállított, illetve a rossz műszaki állapotú motor emissziója a gyári névleges értéknek többszöröse, akár százszorosa is lehet! A karburátoros motoroknál beállítási hiba, például könnyen vezethet alapjáraton 7-10 tf% szénmonoxid kibocsátáshoz. A szénhidrogén kibocsátás is megtízszereződhet gyújtási rendellenességnél. 14

15 A névlegesnél nagyobb előgyújtás a nitrogénoxid emissziót növeli. Késleltetett előgyújtásnál, az utóégés miatt csökken ugyan a CO és a HC értéke, de a tömegemmisszió megnő. Ezért szükséges az alapelőgyújtás értékének az ellenőrzése. A benzinbefecskendezésű motorok lambda szabályozásának hibájánál, vagy a keverékképzés bármely hibájánál nagymértékű szennyezésnövekedés jöhet létre. A dízelmotorok túlfüstölését számos karban nem tartott, hibás szerkezet okozhatja sok esetben egyszerűen csak a légszűrő eltömődése, a porlasztócsúcsok hibája. Turbótöltött motoroknál, a feltöltő hibájából bekövetkező levegőszállítás csökkenése okozhat nagy füstkibocsátást. A motortuning a gépjárműnek a típusvizsgálatához sokszor komoly műszaki kompromisszumokkal beállított emisszióértékeit alapjaiban rombolja szét! A tuningolt motorral szerelt gépjármű már nem felel meg a típusvizsgálati követelményeknek. Mindkét motorfajtánál, melyet forgatónyomaték növelésre tuningolnak, a nitrogénoxid emissziója általában drasztikusan megnövekszik (nagyobb nyomások és hőmérsékletek a hengertérben). Az autójavítók és a vizsgálók komoly felelőssége, hogy a gépjárművek gyári emissziós jellemzőit gondos karbantartással, szakszerű javítással a jármű teljes élettartama alatt fenntartsák! Ellenőrző kérdések Ismertesse a kipufogógáz összetevőit ideális és valóságos állapotban! Elemezze a keverék összetételének hatását a kipufogógáz összetételére! Mik befolyásolják a kipufogógáz összetételét? Milyen hatással van a rossz műszaki állapot és a motortuning a kipufogógáz összetevőire? Ismertesse a kipufogógázban lévő szennyezőanyagok koncentrációjának mértékegységeit! Mit értünk keverési arányon? Mi a légfelesleg tényező? 6. A benzinbefecskendezés fejlődése ben fejlesztette ki Rudolf Diesel a dízelmotort, melynek befecskendező készüléke és ksőbbi befecskendező szivattyúja évtizedek óta ismert. Az Otto-motorok befecskendező szivattyúi ezzel szemben csak a 40-es évek végén lettek népszerűek a versenymotorokban, majd később a sorozatban gyártott gépkocsikban. A benzinbefecskendezés története épp oly régi, mint a dízelbefecskendező készülékeké. A legrégebben 15

16 ismert, sorozatban gyártott benzinbefecskendezőt már 1898-ban használták Deutz stacioner benzinmotorjainál. Jelentőssé vált a benzinbefecskendezés repülőgépmotorok keverékdúsításához, mivel a műrepüléshez alkalmas karburátorok még nem voltak eléggé fejlettek. Robert Bosch már 1912 körül kísérletezett egy benzinbefecskendező kifejlesztésével, majd 1914-ben a német Pallas porlasztógyár, végül 1925-ben Amerikában a Bendix-Stromberg befecskendező porlasztót fejlesztették ki. A 30-as évek elején a Robert Bosch cég ismét megkezdte a kísérleteket egy használható benzinbefecskendező berendezés kifejlesztésére. A 40-es évek végén, az 50-es évek elején előtérbe került a külső hajtású benzinbefecskendező berendezések kifejlesztése sorozatban gyártott gépkocsikhoz is. A benzinbefecskendezés magasabb árkategóriájú gépjárműosztályokban való elterjesztése Daimler-Benz nevéhez fűződik, amikor a Mercedes-Benz 300 SL-be Bosch-féle közvetlen befecskendezésű berendezést szereltek. További, sorozatban gyártott mercedes-benz gépjárművek következtek, és 1968-ig Bosch-benzinbefecskendezővel látták el őket. A Bosch mellett Kugelfischer/Schafer, Simms, Scintilla és Lucas állítottak elő benzinbefecskendező berendezéseket. Jelentősek voltak az amerikai Bendix-cég kísérletei az 50-es évek végén. Céljuk a benzinbefecskendezés elektronikus vezérlése volt, függetlenül a külső motorhajtástól. A kifejlesztést a Robert Bosch GmbH vette meg. Már a 60-as évek elején futott náluk az első kísérleti elektronikus üzemanyagbefecskendezéses motor. Viszonylag rövid idő alatt kiszorította a piacról az elektronikus benzinbefecskendező (D-Jetronic) a külső üzemelésű benzinbefecskendező szivattyúkat a Robert Bosch GmbH egy szintén hajtás nélküli mechanikus benzinbefecskendező eljárást fejlesztett ki, a K-Jetronicot. Ennek első sorozata Porsche 911 T gépkocsikba került az 1973-as évben. A D-Jetronic 1974-től az Opel-Manta GTI-be sorozatszerűen beépített L- Jetronic váltotta fel. A D-Jetronic lényeges szerkezeti elemeit a Robert Bosch GmbH, az angol Lucas cégnek adta el. Ez változtatott vezérléstechnikával a D-Jetronichoz hasonló berendezést bocsátott piacra. A kipufogógáz-előírások további szigorítása mellett, a benzinbefecskendező rendszereket is korrekciós tagokkal (pl. lambdaszondával), pótlólagosan vezérelni kell majd, hogy a gépjármű kipufogógáz-összetételével szemben támasztott törvényes követelményeknek meg lehessen felelni A benzinbefecskendezés Az egyre szigorúbb környezetvédelmi követelmények és ezzel egyidejűleg a gépjármű motorok gazdaságosságának fokozása az üzemanyagfogyasztás csökkentése olyan üzemanyag-ellátó rendszereket igényelnek, amelyekkel a motor üzeméhez szükséges benzinmennyiség pontosabban adagolható, mint a hagyományos karburátorokkal. Benzinbefecskendezők alkalmazásával az üzemviszonyoktól függően 10-16

17 20% üzemanyagmegtakarítás érhető el és nagy mértékben csökken (katalizátor nélkül is) a motorok által kibocsátott szennyezőanyagok mennyisége is. Kifejlesztésükben és korszerűsítésükben kiemelkedő szerepet játszott és játszik ma is a német Bosch cég. Az USA-ban és Japánban gyártott benzinbefecskendezők jelentős része is Bosch-licencek felhasználásával készülnek A benzinbefecskendezés előnyei a porlasztóval szemben - Jelentősen növelhető a szívócsőátmérő, így jobb volumetrikus hatásfok és jobb hengertöltés érhető el. - Többhengeres motoroknál is könnyen biztosítható, hogy az egyes hengerek azonos mennyiségű és minőségű keveréket kapjanak. A pontosabb adagolás egyenletesebb járást tesz lehetővé részterheléskor és üresjárásban. - Jobb a motor gyorsítóképessége, és könnyebben indul, mert a benzin nem csapódik le a szívócső hideg falára. - A hengerbe való befecskendezéskor a benzin párolgása folytán előálló hűtőhatás csökkenti a hőmérsékletet, így egyrészt javul a volumetrikus hatásfok, másrészt nagyobb kompresszióviszony alkalmazható a kopogás veszélye nélkül, vagy kisebb oktánszámú benzin is használható ugyanolyan kompresszióviszonyra. - A szimmetrikus vezérlésű kétütemű és a nagy szelepegybenyitású négyütemű motoroknál is elmaradnak az egyébként elkerülhetetlen üzemanyag-veszteségek. - A kétütemű motor kenőolaj-fogyasztása kisebb, mert nem benzinolaj keverékkel működik, hanem az olajat szivattyú szállítja a kenendő helyekre. - A benzinbefecskendezéses motor kipufogógáza kevesebb szénmonoxidot, valamint el nem égett és nem oxidálódott szénhidrogént tartalmaz, mint a porlasztós (karburátoros) motoré. Ez elsősorban a gépjármű gyorsulásánál és lassulásánál (motorféküzemben) mutat jelentős különbséget. A benzinbefecskendezéssel elérhető teljesítménynövekedés négyütemű motornál 5 10%-ra, kétüteműnél 10 20%-ra tehető. A motor teljesítményének és nyomatékának növekedését jól megfigyelhetjük a BMW Tii motornál a 8. ábrán. 17

18 8. ábra A BMW Tii-motor teljesítményének és nyomatékának változása a benzinbefecskendezés hatására A benzinbefecskendezéses motor hátránya, hogy gyártási költsége nagyobb, mint a porlasztós motoré. A porlasztó karbantartása egyszerű, mivel nincsenek periodikusan működő részei. A porlasztó javítási szükséglete és elhasználódása kisebb mértékű, ebből a szempontból a befecskendezés kedvezőtlenebb. A befecskendezésnek mindazoknak a követelményeknek eleget kell tennie, mint a porlasztónak. Tehát a benzint egyenletesen el kell osztania, szét kell porlasztania, a levegővel jól el kell kevernie, és a keverékmennyiséget adagolnia kell Benzinbefecskendező berendezések csoportosítása A befecskendezés helye szerint lehet: - közvetlen (nagynyomású) befecskendezés, - szívócsatorna-befecskendezés, - szívócső-befecskendezés. Közvetlen befecskendezés esetén a motor hengerfejébe épített befecskendezőszelepen át felülről vagy oldalról nagy nyomással közvetlenül az égéstérbe fecskendezik be a benzint (9. ábra), ami csak szakaszosan, nagy nyomással, a szívóütem alatti befecskendezéssel valósítható meg. 9. ábra Közvetlen (nagynyomású) benzinbefecskendezés 1. befecskendezőszelep; 2 szívószelep; 3 gyújtógyertya 18

19 A rövid keverési út miatt nem kapható optimálisan homogén keverék. Az öblítési veszteségek elkerülése miatt kétütemű motoroknál csak ez a rendszer alkalmazható. A közvetlen (nagynyomású) befecskendezési rendszer a henger belső hűtését biztosítja a benzincseppek párolgása miatt. Így a henger töltése növekszik, a motor kopogási határa a nagyobb sűrítési arányok felé tolódik el. Az előnyök mellett hátrányok is mutatkoznak, így a befecskendezőfúvóka nagy hőmérsékletnek és nyomásnak van kitéve, valamint a nagy befecskendezési nyomás miatt nagy a befecskendezőszivattyú és -fúvóka kopása (pl. Volkswagen-FSI rendszer). A szívócsatorna-befecskendező eljárásnál a befecskendezőszelep felülről nyúlik a hengerfejbe és szakaszosan, kis nyomáson fecskendez a motor szívóütemében a nyitott szívószelepre (10. ábra). 10. ábra Szívócsatorna-befecskendezés 1 szívószelep; 2 csatlakozó hollandi; 3 hőszigetelő-tartó; 4 szívócső; 5 befecskendezőszelep; 6 hengertér; 7 gyújtógyertya Ezzel a megoldással igen jó töltési fok érhető el, viszont a rövid keverési út miatt a benzin-levegő keverék itt sem optimális. Az eljárás a jelenleg elterjedt benzinbefecskendező berendezések között alig található. A szívócső-befecskendezés esetében a befecskendezőszelepet a szívócsőben helyezik el. A befecskendezés szakaszos vagy folyamatos lehet. A szívócső-befecskendező eljárásnál hosszabb keverési út áll rendelkezésre, így az optimális benzin-levegő keverék létrehozásához elegendő idő van. A kipufogó gázok károsanyag-összetétele megfelelően csökkenthető. Napjaink legelterjedtebb eljárása (11. ábra) (pl. BOSCH L- Jetronic). 19

20 11. ábra Szívócső-befecskendezés 1 szívószelep; 2 csatlakozó hollandi; 3 hőszigetelő-tartó; 4 szívócső, 5 befecskendezőszelep; 6 hengertér A benzinbefecskendezés időbelisége szerint lehet: - szakaszos, a motor szívóüteme közben, amely lehet szívócső-, szívócsatorna- és közvetlen befecskendezésű (pl. L-Jetronic); - folyamatos, megszakítás nélküli, amely csak a szívócsőbefecskendező eljárásnál alkalmazható (pl. K-Jetronic). Benzinbefecskendező rendszerek csoportosítása működésük szerint Mechanikus vezérlésű Bosch EP/ZEA 2KL Elektromos vezérlésű JETRONIC MOTRONIC D D L, LH L, LH K, KE K, KE Mono Mono A Jetronic és a Motronic rendszer között az alapvető különbség, hogy amíg a Jetronic rendszernél a gyújtási és a benzinbefecskendezési rendszer vezérlése külön-külön egységben történik, addig a Motronic rendszer a benzinbefecskendezés és a gyújtás vezérlésének egyesített rendszere. 20