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 (1858 1913) 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.
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.
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
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
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
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=20-25. a befecskendezési nyitónyomás: p ny =140 bar; lágyabb járás.
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
a) Indításkor b) Indítás után 6. sz. ábra. A Pinteaux-fúvóka porlasztási képe
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 =130-150 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.
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 (215-230 gr/kwh), mint az osztott égésterű motoroké.
Ez a megoldás egyesíti a kamrás motorok és a közvetlen befecskendezésű motorok előnyeit, ezért ez a legelterjedtebb kialakítás. Kompresszióviszonya (ε) 13-17 között van, nem igényel izzító gyertyát, de a befecskendezési nyitónyomása magasabb (p ny =215-240 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. 3-5 -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
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 200-220 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 200-400 bar, kétüteműeknél 1000 bar is lehet. Keményebb járás jellemzi, ezért haszongépjárműveknél alkalmazzák. Izzítást nem igényel, a kompresszióviszonya 14-16 között van.
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
növelésével (p ny =1000-1400 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.
FELHASZNÁLT IRODALOM DEZSÉNYI Gy. EMŐD I.: Gépjárművek tervezése és vizsgálata. Tankönyvkiadó, Budapest, 1983. DEZSÉNYI GY. EMŐD I. FINICHIU LIVIU: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata. Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. FÜLÖP ZOLTÁN: Belsőégésű motorok. Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. GROHE, H.: Ottó- és Diesel-motorok. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980. TURCSÁNYI KÁROLY: A katonai gépjárművek fejlődése. Katonapolitikai tájékoztató, 1986/2. sz. TURCSÁNYI KÁROLY: Rendszertechnika. Páncélos és gépjárműtechnikai eszközök. ZMKA, 1988. [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.