Gépjárművek Üzemanyag ellátó Berendezései Dr. Szabó József Zoltán Egyetemi docens ÓE BDGBMK Mechatronikai és Autótechnikai Intézet
8. Előadás Diesel motorok üzemanyag ellátó berendezései I.
Egy kis történelem- A dízeltechnika kezdetei 1892-ben jelentette be Rudolf Diesel német mérnök a berlini szabadalmi hivatalban annak a belsőégésű erőforrásnak a szabadalmát, melyet ma feltalálója nyomán egyszerűen dízel- motornak nevezünk. Az újdonság lényegét a szabadalmi leírásból kiemelt, következő mondattöredék jól tükrözi egy hengerben a munkadugattyú a tiszta levegőt olyan erősen sűríti össze, hogy az emiatt keletkező hőmérséklet lényegesen meghaladja a felhasznált tüzelőanyag gyulladási hőmérsékletét, amely folyamathoz a felső holtpont előtt megtörténik a tüzelőanyag bevezetése.... Az első öt évben az augsburgi gépgyár mérnökeivel közösen végzett fejlesztőmunka meghozta első gyümölcsét, 1897-ben Schröter professzor a müncheni műszaki főiskolán elvégezhette a kétségtelen eredményeket igazoló első teljesítményés fogyasztásméréseket
Rudolf Diesel Párizsban született, szülei bajor bevándorlók. Apja bőrcikkeket készített, anyja angol tanárnő volt Szülei akarata ellenére gépészmérnök lesz a Technische Hochschule München-ben példa értékűen kiváló diplomával 1880-ban. Első terve szerint szénport fecskendezett be egy henger 200 atmoszférára összenyomott légterébe, de a végcélja az volt, hogy a nyomás által felhevített légtérbe fecskendezett nehéz kerozin minden szikra nélkül, magától gyulladjon meg. Rudolf Diesel belsőégésű motorjára 1892. február 23-án kapott szabadalmat. Ez a szabadalom a gáztörvényeken alapult levegősűrítéssel működő, tehát gyújtógyertya nélküli (öngyulladásos), belsőégésű motorokat írta le. 1893-ban közzétette elméleti munkáját a hőerőgépekről. A működő prototípust az augsburgi Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg (M.A.N.) cég készítette el. Rudolf Diesel
Még egy kis történelem. Rudolf Diesel első nyilvános előadásán bemutatott metszeti kép egyik első motorjáról (Deutsches Museum, München) A további előrelépés kulcsa már akkor is a tüzelőanyag bejuttatásának módjában és az égésfolyamat célirányos megválasztásában volt. 1898-ban az esseni Krupp-gyárnál a motort magasnyomású légkompresszorral szerelték fel, amely a tüzelőanyag (petróleum) befúvásához szükséges levegőt szállította. Ezeknek a motoroknak az indikált középnyomása már maghaladta a 7 bar-t, hatásfokuk pedig 25 % fölé emelkedett. A motor jó gazdasági hatásfoka mellett előnyös volt, hogy a lényegesen olcsóbb nyersolajjal is jól működött és a kompressziógyújtás révén mellőzhették az akkoriban még számos gondot okozó, külső gyújtószerkezeteket. A sikeres fogadtatásnak köszönhetően rövid időn belül előbb öt, majd később további 25 cég vásárolta meg a dízelmotorok gyártási licenszét (MAN, Sulzer, Deutz, stb.).
Robert Bosch és a többiek A hidraulikus befecskendezés megszületése az 1910-es évre tehető. Az angol James McKechnie ekkor jelentette be szabadalmát egy 140-420 bar nyomás előállítására alkalmas tüzelőanyag szivattyúra Igen fontos dátum a dízel-keverékképzés történetében az 1922-es év. Ekkor kezdett foglalkozni a motorszerelvények fejlesztésében és gyártásában már akkor sikeres múlttal rendelkező Robert Bosch a soros adagolószivattyúk fejlesztésével. Az 1923/24 évekből származó befecskendező szivattyú feltűnő jellemzője, hogy vezérlését külön szelep végzi, melyet szintén a bütyköstengely működtet egy himbakar közvetítésével. A fejlesztési munka eredménye 1927- ben vált piacképessé. Ennek az adagolónak a felépítése és működése már sok közös vonást mutat a ma használatos soros befecskendező szivattyúkkal. A mennyiségi szabályozás ennél a megoldásnál fogasrúdon keresztül történik
Hazai eredmények A hazai dízeltechnika legkiemelkedőbb és nemzetközileg legismertebb alakjának Jendrassik Györgyöt tekinthetjük. A Ganz Részvénytársaságnál 1927-től kapcsolódott be a dizel-motorok fejlesztésébe. Motorjaihoz már a harmincas évek előtt saját égésteret, befecskendező szerkezetet és indítási rend-szert dolgozott ki. A világhírű Jendrassik motorok egy és többhengeres kivitelben egyaránt készültek. A részben nyitott kialakítású előkamrás égéstér kiküszöbölte az előkamra csatlakozásánál szokásos szűk méretekből eredő hátrányokat, és a szívás vezérléssel még az izzítógyertya használata is feleslegessé vált. A befecskendezett mennyiséget a dugattyú löketváltozása szabályozza egy ék elfordításával. A rugóerő alkalmazása miatt a befecskendezés igen gyors, A befecskendezés ideje nem a motor fordulattól, hanem az ék helyzetétől függ, ezért az indítás könnyű
A Diesel motorok legfontosabb jellemzői A dízelmotor öngyulladásos motor, belső keverékképzéssel. Az égéshez szükséges levegő az égéstérben erőteljes sűrítésnek van kitéve. Eközben olyan magas hőmérséklet jön létre, amelyen a befecskendezett dízel tüzelőanyag önállóan meggyullad. A dízel tüzelőanyagban található kémiai energiát a dízelmotor hőenergia közvetítésével mechanikus munkává alakítja át. A dízelmotor a legnagyobb effektív hatásfokkal működő belsőégésű erőgép (a nagyméretű, lassújárású motoroknál több mint 50%). Az ehhez kapcsolódó alacsony tüzelőanyag-fogyasztás, a viszonylag csekély károsanyag-tartalmú kipufogógázok és mindenek előtt az elő befecskendezés alkalmazásával csökkentett zajszint segítette elő a dízelmotorok széleskörű elterjedését.
A dízelkörfolyamat jellemzői a négyütemű gépjármű dízelmotorok körfolyamatát célszerű az ún. Sabathé I Seiliger ciklussal modellezni, amely az állandó térfogatú és az állandó nyomású égésfolyamatokat egyesíti magában. A teljes körfolyamat egyes szakaszai a következők: 1. a levegő adiabatikus (hőátadás nélküli) összesűrítése a hengerben, 2. tüzelőanyag bevezetése az összesűrített levegőbe, 3. a tüzelőanyag/levegő keverék elégése előbb állandó térfogaton (isochor állapotváltozás), majd állandó nyomáson (isobar állapotváltozás), 4. adiabatikus expanzió, 5. az égéstermékek kiömlése állandó térfogaton. Kompresszió viszony, Előzetes expanzió viszony, nyomásemelkedés lásd BEM
Az ideális Diesel-ciklus p-v diagramja. Az ideális Diesel-ciklus T-s diagramja Az ábrán látható az idealizált Diesel-ciklus a p-v diagramban, p a keverék nyomása, v a fajtérfogata. A körfolyamat négy állapotváltozásból áll: 1-2 izentrópikus kompresszió. 2-3 állandó nyomású (izobár) állapotváltozás (égés) 3-4 izentropikus expanzió 4-1 állandó térfogatú (izochor) hőelvonás A dízelmotor hőerőgép: hőenergiát alakít át mechanikai munkává. Az energiaáramlás a körfolyamat alatt: 1-2 a munkafelvétel munkaközeg sűrítéséhez (a lendkerékből) 2-3 hőenergia felvétel a tüzelőanyag elégetéséből 3-4 az égés után felmelegedett közeg expanziója mechanikai munkát ad a gépnek 4-1 a füstgázok kiáramlása: hőelvonás
Az ideális Diesel-ciklus p-v diagramja. A maximális termikus hatásfok a kompresszióviszonytól és a ρ viszonyszámtól függ: ahol a termikus hatásfok, az égés végpontjánál és kezdőpontjánál mért fajtérfogatok hányadosa. a kompresszió-viszony a gáz fajhőinek viszonya A hatásfok a kompresszió viszony növelésével nő, a növelésével csökken. Ha, a hatásfok tart az Otto-cikluséhoz. Összehasonlítva az Otto-körfolyamattal, annak termikus hatásfoka azonos kompresszióviszony esetén meghaladja a Diesel ciklusét. Mindenki ismeri azonban azt a tényt, hogy a dízelmotoral hajtott gépkocsik üzemanyag-fogyasztása kisbb (és így az összhatásfoka jobb), mint az Ottomotorokkal hajtott gépkocsiké. Ez azért igaz, mert az Otto-motorok kompresszióviszonya lényegesen alacsonyabb, mint a dízelmotoroké. A benzinlevegő keverék ugyanis alacsonyabb hőmérsékleten (így alacsonyabb kompresszióviszony mellett) öngyulladást szenvedne. A másik ok, hogy a benzinmotort a légbeömlés fojtásával vezérlik, a fojtás pedig energiaveszteséget okoz. A valóságos összhatásfok természetesen a termikus, mechanikai és egyéb veszteségek miatt mindkét erőgépnél az elméletinél lényegesen kisebb
A dízelmotorok működési elve A dízelmotorok alapvetően belső keverékképzésű, kompresszió-gyújtású motorok. Tiszta levegőt szívnak be, melyet a dugattyú nagymértékben összesűrít. A sűrítés következtében felmelegedett levegőbe fecskendezik be a tüzelőanyagot, amely elkeveredve a forró levegővel meggyullad és elég. Működési módjukat tekintve a dizelmotorok lehetnek két- és négyüteműek egyaránt, gépjárművekben azonban kizárólag a négyütemű motorokat alkalmazzák. A dízelmotorok szerkezeti felépítése a keverék-előkészítő és keverékképző rendszer kivételével gyakorlatilag megegyezik a benzin- (Otto-) motorokéval, de méretezésük erőteljesebb a benzinmotorokénál, mivel az egyes szerkezeti elemek igénybevétele lényegesen nagyobb. A dízelmotoroknál alkalmazható sűrítési arány sokkal nagyobb, mint a keveréksűrítésű Otto-motoroknál, amivel együtt jár a bevezetett tüzelőanyag jobb hasznosítása.
A Dízel-elv további jellemzői A szívási ütemben a dugattyú tiszta levegőt szív be. A dugattyú a levegőt igen nagy mértékben összesűríti (kb. 1:20 arányban). A sűrítés alatt a levegő nagyon erősen felhevül (kb. 500.750 C). Ebbe az ősszesűrített levegőbe fecskendezik be az üzemanyagot. A befecskendezett üzemanyag a felhevült levegőben meggyullad. A dízelelv lényege és legfontosabb betartandó szabálya az, hogy a gyulladás kezdete után állandó nyomáson történő égést lehessen elérni. Ez azt jelenti, hogy a befecskendezett üzemanyag-mennyiséget a befecskendezési idő alatt úgy kell elosztani, hogy az égési nyomás lehetőleg egyenletes maradjon (ez gyakorlatilag csak a nagy motoroknál valósítható meg.) Azaz forgattyú elfordulás-fokonként csak annyi üzemanyagot szabad befecskendezni, amennyi ez alatt az idő alatt el tud égni anélkül, hogy az égési nyomás túlzottan megemelkedne.
4 ütemű Diesel motor munkafolyamata Négyütemű működési mód A négyütemű dízelmotor esetében szelepek vezérlik a friss levegő és a kipufogógáz cseréjét. Nyitják illetve zárják a hengerek szívó és kipufogó csatornáit. Egy-egy szívó illetve kipufogó csatornához egy vagy két szelep lehet beépítve.
Diesel és benzin motor összehasonlítása Jellemző Benzin motor Diesel motor Termikus hatásfok Kompresszió viszony ε 7-14 15 24 Effektív hatásfok 25 30 % 30 35 % Csúcs nyomás 3,6 4,6 MPa 6,0 8,0 MPa Kipufogási hőmérséklet 800 1000 ºC 500 600 ºC Keveredési idő 20 40 milisec 4 8 milisec Max. fordulatszám 4.500 6.200 ford/perc 2.500 5.200 ford/perc Fajlagos fogyasztás 300 380 gr/kwh 205 310 gr/kwh Oktán/cetán szám OM 95-98 CN 40 50 Liter teljesítmény 45 kw/liter 26 kw/liter Nyomaték rugalmasság 1,15 1,30 1,05 1,15 Károsanyag kibocsátás CO 1 1,5 Korom részecske 1 1 1 1 1 term 1 term 1 1
A valóságos Dízel-motor eltérései az ideálistól A szívóütem kezdetekor a kompresszió térben maradt égéstermékek miatt a nyomás nagyobb, mint a környezeti levegőé. Ebből következik, hogy a teljes lökettérfogatnak egy része már nem áll rendelkezésre a friss levegő beszívására. Csökkentik a friss töltet elméleti mennyiségét a szívórendszer áramlási ellenállásai (légszűrő, szívócső, szívószelepek), valamint az a körülmény, hogy a már beszívott levegő felmelegszik, így sűrűsége kisebb, fajtérfogata pedig nagyobb lesz A valóságos motor hengerében a sűrítési folyamat nem adiabatikus, hanem politropikus ami azt jelenti, hogy a külső hőleadás miatt kisebb lesz a sűrítési végnyomás a motor hengereiben. A valóságos sűrítési folyamatot leíró p.v = állandó egyenletben az n kitevő mindig kisebb a K adiabatikus kitevőnél. Az expanziós szakaszban a veszteségek okai hasonlóak, mint a sűrítési folyamatnál. Az égés elhúzódása miatt az expanzió kezdete erősen eltér az adiabatikustól A nagy hőmérséklet változás következtében változik a gáz összetétele és fajhője.
A valóságos Dízel-motor eltérései az ideálistól Növelik a veszteségeket a hengerfal és a dugattyú közötti tömítetlenségek. A motor fordulatszámának növelésével a rövidebb idő miatt csökkenek a sűrítési ütem termikus veszteségei a sűrítési arány növelése pedig növeli a hőveszteségeket a nagyobb hőmérsékletkülönbség következtében Az égéstermékek kiürítése a hengerből teljesen más, mint az ideális esetben. A kipufogó szelep nyitásakor a kritikust meghaladó nyomásviszony miatt az égéstermékek kiáramlása hang- sebességgel indul, eleinte így több gáz kerül a kipufogócsőbe, mint amennyi onnan eltávozhat. A kipufogó rendszerben fellépő nyomásváltozások hatása ennek ellenére kedvező is lehet, mert átmenetileg szívóhatás is érvényesülhet, amely segíti a hengerből a gázok távozását. A nyomásváltozás függ (fordulatszám, szelepek nyitása-zárása, kipufogó rendszer geometriai méretei, stb.)
Hagyományos Dízel-motorok jellemzői
Diesel motoros személygépkocsik emissziós előírásai és a megvalósításukhoz szükséges műszaki fejlesztések
Az ábra mutatja az 1968-as és az 1998- as gyártású dízelmotorok összehasonlítását,jellegzetes teljesítmény görbéjükkel a motor fordulatszámának függvényében. Az alacsonyabb maximális fordulatszám következtében a dízelmotorok literteljesítménye kisebb, mint az Otto-motoroké. A korszerű személyautó dízelmotorok 3500...5000 /min névleges fordulatszámot érnek el. Két, kb 2,2 I lökettérfogatú személygépkocsi dízelmotor forgatónyomaték és teljesítmény diagramja a motor fordulatszám függvényében (példa) Diesel motorok fejlődése
Diesel befecskendező rendszerek felhasználási területei
Dízelmotorok vezérlési rendszereinek fejlődése Forrás: Porsche Hungária Kft.
RENAULT-TRUCKS DXi5 motor EURO4 és EURO5* előírásoknak megfelelő motor TELJESÍTMÉNY NYOMATÉ K 160 LE / 118 kw 580 N.m 190 LE / 140 kw 680 N.m 220 LE / 158 kw 800 N.m * 2006 októbertől Forrás: RENAULT-TRUCKS Hungary Kft. FURAT LÖKET SÚLY LÖKETTÉRFOGAT HENGERSZÁM SZELEPEK / HENGER 108 mm 130 mm 490 kg 4764 cm3 4 soros, álló 4 27
nyomaték (tr/mn) teljesítmény (kw) DXi5 160 LE motor-jelleggörbék 700 150 600 couple puissance 500 100 400 300 50 200 100 0 700 1000 1400 1700 2000 2300 2625 motor ford.szám (tr/mn) 0 118 kw (160 LE) 2300 tr/min / Mmax = 580 Nm 1200 1700 tr/min Forrás: RENAULT-TRUCKS Hungary Kft. 28
Engine Torque (Nm) Engine Power (hp) Típusmegnevezés DXi 13 460 DXi 13 500 Max. teljesítmény Max. nyomaték 339 kw 1600 1800 f/perc 2300 Nm 1050 1400 f/perc 368 kw 1600 1800 f/perc 2450 Nm 1050 1450 f/perc 600 500 400 Magnum EU4/Eu5 official Power Teljesítménygörbék Hengerek száma 6 6 300 Furat 131 mm 131 mm 200 Löket 158 mm 158 mm 100 Hengerűrtartalom 12 780 cm 3 12 780 cm 3 0 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 Engine speed (rpm) 1. henger Lendkerékkel ellentétes oldal Lendkerékkel ellentétes oldal Alapjárati fordulatszám 600 f/perc 600 f/perc 3000 Magnum Eu4/Eu5 official Torque Nyomatékgörbék P3132 500hp P3132 460hp Leszabályozási fordulatszám 2150 f/perc 2150 f/perc 2500 Maximális fordulatszám terhelten Befecskendezés típusa Táp A motor tömege a tartozékaival 1800 f/perc 1800 f/perc porlasztós-adagoló Töltőlevegő-hűtős turbókompresszor Porlasztósadagoló Töltőlevegő-hűtős turbókompresszor 1143 kg 1143 kg 2000 1500 1000 500 0 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 Engine speed (rpm)
Diesel befecskendezés mérföldkövei
A légviszony szerepe dízelmotoroknál A motorban lezajló égési folyamat minden esetben függ az égéstérbe bevezetett levegő (pontosabban a levegő oxigéntartalma) és a tüzelőanyag mennyiségének arányától. A megfelelő arányt elméletileg az égési egyenletek írják le, gyakorlatban pedig az adott motorra vonatkozó tapasztalati értékeken alapul. Az 1 kg tömegű tüzelőanyag tökéletes elégéséhez minimálisan (elméletileg) szükséges levegő mennyiségét az alábbi ismert egyenlet adja meg :
Energiamérleg, középnyomás és teljesítmény Belsőégésű motorokban a tüzelőanyagban rejlő hőenergia maradéktalan átalakítása mechanikai energiává nem lehetséges. Az elégetett tüzelőanyagból keletkezett hőmennyiség nagyobb része munkavégzés nélkül távozik a motorból, egyrészt a kipufogó gázokkal, másrészt hősugárzással, továbbá a hűtés révén elvont hővel (hűtés nélkül a motor hőállapota nem stabilizálható). Dizel-motoroknál a bevezetett hőenergiából kinyerhető mechanikai munka a mai ismereteink szerint 35-42% mértékű. Az egyes veszteségek a motor hőmérlegében (Sankey-diagramban) szemléltethetők a legjobban. A dízelmotorok indikált teljesítménye a következő egyenletből számítható:
A keverékképzés feltételei A nagy nyomáson befecskendezett tüzelőanyag a porlasztódást követően elpárolog, Ugyanis a gőz halmazállapot feltétele annak, hogy tökéletesen eléghessen. A keverékképzés jósága, ideértve a levegővel történő megfelelő elkeveredést, alapvetően befolyásolja nem csak a motor teljesítményét és fajlagos fogyasztását, de a kipufogógáz összetételét és a motor működési zaját is. A porlasztófúvóka nyílásán (nyílásain) át kilépő üzemanyag nagy sebességgel hatol be az összesűritett és felmelegedett levegőbe. A felületi párolgás mértékétől függően az égéstérben (vagy annak egyes helyein) létrejön a gyúlásképes elegy, amely magától meggyullad. A dízelmotorok keverékképzése két fő csoportra tagolható: Közvetlen (direkt) befecskendezés, ahol a keverékképzés és az égés részére egyetlen közös tér van kialakítva, rendszerint a dugattyú felső részében. Közvetett (indirekt) befecskendezés, ahol ezekre a folyamatokra osztott égéstér áll rendelkezésre.
Közvetlen befecskendezésű (osztatlan égésterű) motorok Ezt a korábban csak nagyobb lökettérfogatú (például haszongépjármű) motoroknál alkalmazott keverékképzési módszert egyre szélesebb körben hasznosítják a személygépko-csi dízelmotoroknál is. Kis és közepes méretű, közvetlen befecskendezéses motoroknál a sűrítési arány ε = 16... 20 mértékű. A fő égésteret henger vagy gömb formájú, bemélyedő üregként képezik ki a dugattyútetőben. A tüzelőanyag befecskendezése a hengertérben összesűrített levegőbe történik. A tüzelő- anyag megfelelő elosztása érdekében rendszerint többlyukú befecskendező fúvókát alkalmaznak, de előfordul egysugaras porlasztó használata is (például az M-motornál). Mivel itt rövidebb az idő, igen nagy nyomáson kell porlasztani fontos a gyors elgőzölgés!
Közvetlen befecskendezésű (osztatlan égésterű) motorok Forrás: Tankönyvkiadó
Légörvény közvetlen befecskendezésnél
Közvetett befecskendezés (osztott égésterű) motorok Az égéstér két részre osztódik, fő és melléktérre A mellék kamra kialakítása olyan, hogy az örvénylő mozgás itt jöhessen létre Ez elnyújtja a folyamatot, nem detonáció szerűen megy végbe az égés réteges égés Nagyobb a sűrítési arány és kisebb befecskendezési nyomás mint a közvetlené Több idő van az égésre kb.20-35 forgattyú tg. fok
Előkamrás égéstér A többnyire hengeres formájú előkamra egy vagy több nyílással csatlakozik a dugattyú feletti, fő égéstérrel Ezeknek az átvezető nyílásoknak köszönhetően megfelelő levegő-örvénylés jön létre az előkamrában. Az előkamra térfogata a henger lökettérfogatának 1,5-2%-a. A tüzelőanyagot rendszerint csapos fúvókával juttatják be az előkamrába 250-300 bar nyomással. A speciálisan kialakított ütköző felület a kamra közepén szétszórja a rácsapódó folyadéksugarat, így az jobban elkeveredik a levegővel. Az előkamrába fecskendezett tüzelőanyag meggyullad és részben ott el is ég. Az izzógyertyát úgy helyezik el az előkamrában, hogy az minél kisebb mértékben zavarja az örvénylési folyamatokat
Örvénykamrás égéstér a két égéstér aránya, az örvénykamra 4-5 %-a a teljes lökettérfogatnak. Szélső esetben addig növelhető az örvénykamra térfogata, amíg a dugattyútető és a hengerfej közötti résméret a még megengedhető minimális mértékű nem lesz. Az örvénykamrát közel gömb formájúvá alakítják ki, az összekötő nyílás a fő égéstérhez kúpos alakú és érintő irányú a hengertér felé A tüzelőanyag sugarat úgy irányítják, hogy a gyulladási pont az átvezető nyílás közelében legyen. A sűrítési ütem alatt az összesűrített, forró levegőt a felfelé mozgó dugattyú egy csatornán keresztül az örvénykamrába préseli. 1 Befecskendező fúvóka 2 Tangenciális belövő-csatorna 3 Izzógyertya
Az égési folyamat Dízelmotorokban az égési folyamat részben a keverékképzéssel egyidejűleg, részben azt követően megy végbe. a keverékképzési és az égési folyamat között igen szoros a kapcsolat. Az égésfolyamat időbeni alakulását az ún. kiterített indikátordiagramon célszerű nyomon követni, ahol a vízszintes koordinátatengelyre a dugattyúút helyett a forgattyús tengely szögelfordulását mérik fel
Az égési folyamat szakaszai gyúlási késedelem (1), nyomásnövekedés, isochor-közeli állapotváltozás (2), hőmérséklet-növekedés, isobarközeli állapotváltozás (3). A fizikai gyulladási késedelem alatt a tüzelőanyag elporlasztása, elpárolgása, a levegővel való keveredése és felmelegedése, a kémiai gyulladási késedelem alatt pedig a molekulák égéshez való előkészítése és a kémiai reakciók mennek végbe A gyulladási késedelem adott motornál és üzemállapotnál függ: a tüzelőanyag fizikai és kémiai jellemzőitől, a tüzelőanyag elporlasztásától, a lángmozgás jellemzőitől, a sűrítési nyomástól és hőmérséklettől.
Az égésfolyamat szakaszai Dízelmotorok működtetésénél alapvető fontosságú az égés közbeni hőfelszabadulás időbeli folyamatának célirányos szabályozása. A befecskendezés-kezdet optimális beállításával ez a probléma önmagában nem oldható meg, az égés lefolyásának olyannak kell lennie, hogy: az összes befecskendezett tüzelőanyag maradéktalanul elégjen, az égés füstölésmentes legyen, a felső holtpont közelében a nyomásnövekedés kellően nagy legyen, javítja a teljes körfolyamat hatásfokát, a nyomásnövekedés sebessége a csendes motorjárás érdekében egy bizonyos szintet ne haladjon meg
Az égésfolyamat szakaszai A dízelmotorok égésfolyamata több, egymástól jól elkülöníthető fázisra bontható. Az égés első, un. kinetikai vagy szabályozatlan szakaszában a gyulladási késedelem alatt befecskendezett tüzelőanyag ég el. Ezt a szakaszt a fizikai és kémiai folyamatok törvényszerűségei határozzák meg. A kinetikai szakasz hosszúsága általában 5-7 -nyi forgattyús tengely elfordulásra terjed itt a legnagyobb mértékű a nyomásnövekedési sebesség. A kinetikai ás diffúziós fázis együttesen alkotják a fő égésfolyamatot, amely jó minőségű keverékképzés esetén együttesen kb. 40 forgattyús tengely elfordulás alatt zajlik le. A fő égésfolyamat alatt nem szabadul fel a motorhengerbe juttatott teljes hőmennyiség. Az égés befejező szakasza ennél tovább is elhúzódhat. Ez utóbbi szakasz, az utóégés fázisa, ismét diffúziós jellegű. Itt a teljes hő- energia mintegy 10-20 %-a szabadul fel
A dízelmotor égési folyamata tehát három fázisban jellemezhető: 1. A gyulladási késedelem, vagyis a befecskendezési kezdet és a keverék gyulladása között eltelt idő, 2. Az elő keverék égése, 3. A diffúziós láng (égés ellenőrzött keverékkel). A lehető legrövidebb gyulladási késedelem és ezzel együtt az első fázisban befecskendezett kis tüzelőanyag-mennyiség szükséges az égési zaj korlátozásához. Az égés megkezdése utánzó keverékképzés szükséges a kibocsátott korom és NO alacsony szinten tartásához. Az égés fázisaira döntő befolyással van: az égéstér állapota a nyomás és a hőmérséklet vonalozásában, a töltés tömege, összetétele és mozgása, valamint a befecskendezési nyomás lefutása.
Motor-specifikus paraméterek Adott lökettérfogat mellett a következő motor-specifikus, rögzített paramétereknek van jelentősége: sűrítési arány, löket/furat aránya, dugattyúüreg alakja, szívócsatorna geometriája, szívó és kipufogó vezérlési idők
Az égési folyamatot befolyásoló tényezők
Gyulladási késedelem A befecskendezés kezdetétől a gyulladás kezdetéig eltelt idő a gyulladási késedelem. A befecskendezés kezdete a fordulatszám függvényében egy befecskendezés állítóval előbbre, azaz korábbi időpontra helyezhető. A befecskendezési folyamat után az üzem- anyagnak meghatározott időre van szüksége, hogy a levegővel gyulladásképes keveréket képezzen, A gyulladási késedelmet befolyásolja az üzemanyag gyulladási hajlama, a sűrítési viszony, a léghőmérséklet, az üzemanyag porlasztása és a keverékképzés. Különösen feltűnő a gyulladási késedelem nagy fordulatszámoknál, mivel az üzemanyag nem a megfelelő dugattyúhelyzetben gyullad. A kisebb gyulladáskésedelem (0,001 másodperc) eredménye a kívánt lágy égésfolyamat, de ha a gyulladáskésedelem több mint 0,002 másodperc, már kemény égésfotyamat fog fellépni. Ez a kemény működésmód a hirtelen nyomásemelkedés eredménye, ami egyúttal fokozott zajképződéssel Is jár. A kemény járás kihat a kipufogógáz összetételére és a motor által leadott teljesítményre is.
Gyulladási késedelem jellemzői Minél nagyobb a gyulladási késedelem, annál több üzemanyag kerül az égéstérbe a tényleges gyulladás létrejötte előtt. Ha túl rövid idejű a gyulladási késedelem, akkor a befecskendezett tüzelőanyag már közvetlenül a fúvókánál meggyullad és a fúvóka túlhevülése miatt annak gyors tönkremenetelét okozhatja. Ennek következménye az lesz, hogy a gyújtáskor viszonylag nagy mennyiségű hő szabadul fel rövid idő alatt, ami kemény, kopogás- szerű égési zaj keletkezésével jár együtt A gyulladási késedelem időtartama függ az alkalmazott tüzelőanyagtól, a motor konstrukciójától és pillanatnyi fordulatszámától. Nagyobb fordulatszámon a gyulladási késedelem értelemszerűen kisebb lesz. A gyulladási késedelem tényleges értéke néhány (1-3) milisec körül van
Diesel befecskendezés
Az égési folyamatot befolyásoló tényezők
A gázolaj jellemzői
Dízel tüzelőanyagok A dízelmotorok tüzelőanyagát a hazai nyelv- használatban gázolajnak, esetleg dízelolajnak nevezzük (német nyelven: Dieselkraftstoff, angol nyelven: diesel oil, diesel fuel, amely nem tévesztendő össze az elsősorban amerikai szóhasználatban elterjedt gazolin-motorbenzin kifejezéssel). A gázolaj olyan kőolaj lepárlási termék, melynek forrásponthatárai 180-360 C közé esnek. A gázolaj előállítása desztillációs illetve krakkolási műveletekkel történik, a kéntartalom csökkentését hidrogénezéssel oldják meg. A gázolaj, összetételét tekintve, különféle szénhidrogének elegye, melyben a paraffinos vegyületek túlnyomó jelenlétére törekednek. Ennek oka az, hogy a dízelmotorok öngyulladásánál előnyösebbek a paraffin-származékok. Hidegfolyósság szempontjából ugyanakkor hátrányosak a paraffin-vegyületek. A gyulladási késedelmet a gázolaj fizikai és kémiai tulajdonságai befolyásolják: Fizikai tulajdonságok a viszkozitás és a felületi feszültség, kémiai a molekulák struktúrája.
Gyúlékonyság (cetánszám) Dízelmotoroknál külső gyújtás hiányában a tüzelőanyagnak az égéstérbe történt befecskendezést követően, a forró, összesűrített levegő hatására, minél kisebb késedelemmel meg kell gyulladnia. A cetánszám a gázolaj öngyulladási hajlamának mérőszáma, amely kifejezi, hogy hány térfogat százalék cetánt tartalmaz az olyan összetételű, könnyen gyulladó n-hexadekán (cetán) és a nehezen gyulladó c-metil-naftalin (aromás szénhidrogén) elegye, melynek öngyulladási hajlama, szabványos motorvizsgálattal mérve, megegyezik a vizsgált gázolaj öngyulladási hajlamával. A gázolaj vizsgálatát ASTM D613 illetve DIN 51 601 szerinti motorpróbán, egységesített CFR motorban lehet elvégezni. A cetánszám tapasztalati értékek alapján számítással is meghatározható az átlagos forráspont és a sűrűség ismeretében (ASTM D976). A tiszta cetán cetánszáma 100, a tiszta α-metil-naftaliné 0. Minél gyúlékonyabb tehát a tüzelőanyag, annál nagyobb a cetánszáma. Az ásványolajból nyert gázolajok cetánszáma 40-50 között változik (a minimálisan kötelező érték a jelenleg érvényes előírásokban: 45).
A cetánszám mérése
A gázolaj jellemzői az EN 590 szabvány szerint
Gázolaj adalékok és hatásuk
Diesel Motorok feltöltése
A motorok feltöltésének alapgondolata az, hogy az égéshez szükséges levegőt még a hengereken kívül összesűrítik annak érdekében, hogy a hengerekbe jutó töltet tömege nagyobb legyen. A feltöltött motorokban a levegőt kétszeresen sűrítik: egyszer a hengereken kívül és egyszer magukban a hengerekben a sűrítési munkaütem során. A feltöltött motor teljesítménye természetesen nagyobb lesz, de figyelembe véve, hogy a túltöltés legtöbbször csökkenti a motor névleges fordulatszámát, a keletkezett teljesítménynövekedés kizárólag a magasabb effektív középnyomásra vezethető vissza, tehát a magasabb töltési fok következménye. Az effektív középnyomással arányosan növekszik a motor forgatónyomatéka is. A motorok nyomatékának növekedése az azonos típusú és lökettérfogatú szívómotorokéhoz képest a 40-50%-ot is elérheti A motorjellemzők javítása feltöltéssel
Turbófeltöltő működése, szerkezeti részei A motorok feltöltésére számos technikai eszköz ismert, azonban jármű dízelmotoroknál szinte kizárólag a kipufogógázok energiáját hasznosító turbófeltöltést alkalmazzák. A motorból a kipufogógáz-vezetéken keresztül távozó nagy sebességű égéstermékek hajtják meg a feltöltő turbináját és ezen keresztül a vele közös tengelyen lévő kompresszort. Ez utóbbi szívja be a töltetet és túlnyomással juttatja be a motor hengereibe.
A kipufogógáz-turbófeltöltés szerkezeti kialakítása
A turbófeltöltő és a motor illesztésénél fontos szempont, hogy a töltetcsere-munka végeredménye pozitív legyen, ami azt jelenti, hogy a turbina hajtásához felhasznált energia lényegesen kisebb legyen, mint amennyi a beszívott levegő összesűrítése révén nyerhető. Ugyanis a kipufogógázok egyébként veszendőbe menő energiája önmagában nem elegendő a feltöltő meghajtásához, a turbina terhelése visszahat a motorra, nő a kipufogó vezetékben az ellennyomás. A turbófeltöltők munkafolyamata működési jellemzői
A turbófeltöltők működési jellemzői A hátrányok jelentős mértékben csökkenthetők, ha a feltöltő és a motor közé levegő-visszahűtőt (intercooler) helyeznek el, melyen átvezetik a kompresszorban összesűrített és egyúttal jelentősen felmelegedett levegőt. Gyakorlati tapasztalatok szerint, azonos nyomásviszony mellett, a sűrített levegő minden 10 C-os hőmérséklet csökkentésénél kb. 3%-os töltetnövekedéssel lehet számolni javul a teljesítmény és a hatásfok, tehát ennek megfelelően a fajlagos fogyasztás is
A motor és a feltöltő együttműködése A motorok feltöltésével elérhető teljesítménynövelésnek határt szab a motor, a feltöltő és a kettő együttműködése. A fajlagos teljesítmény növelésével együtt nő a motor terhelése is. Lényeges különbséget jelent azonban, hogy a teljesítménynövekedést a fordulatszám növelésével vagy a töltési fok, tehát az effektív középnyomás növelésével érjük el. A feltöltés megengedhető mértékét a motor oldaláról a mechanikus és termikus igénybevételek, valamint gazdaságossági szempontok korlátozzák.
A motor és a feltöltő együttműködése Dízelmotoroknál a magasabb töltőnyomások esetén a hő- és mechanikai terhelés, alacsonyabb töltőnyomásoknál a füsthatár jelenti az égésfolyamatból származó korlátot. Ez a jelenség általában a kis motorfordulatszámok mellett fellépő nagy terhelések esetén jelent problémát. Dízelmotorok feltöltésénél a mechanikai és a hőterhelés alakulását mindig figyelemmel kell kísérni, mivel a feltöltéssel járó többletterhe-lésből származó fokozott igénybevétel csak egy meghatározott szint-ig növelhető. A teljesítmény további növelése az élettartam jelentős csökkenésével járhat, sőt a motor tönkremenetelét is okozhatja.
A feltöltési eljárások csoportosítása A feltöltő hajtása szerint: - a belsőégésű motortól független erőgéppel - a motor forgattyútengelyéről - a kipufogógázokkal hajtott gázturbinával - a kipufogó vezetékben fellépő nyomáshullámokkal A feltöltő szerkezeti felépítése szerint: - a térfogat kiszorítás elve alapján működő (kompresszorok) - áramlástani elven működő (radiális, axiális) A teljesítmény leadás helye szerint: - mechanikus feltöltés - turbófeltöltés - kompaund feltöltés - teljesítmény leadás a turbina tengelyén (gázgenerátor) A belsőégésű motor működési elve szerint: - Otto-motor vagy dízelmotor
a) Idegen feltöltésű motor b) Mechanikus feltöltésű motor c) Turbótöltéses motor d) Kompaund motor e) Motorgenerátoros gázturbina Forrás: Műszaki könyvkiadó Alkalmazott eljárások
Turbófeltöltés és mechanikus feltöltés Forrás: K&Z motor bt.
A Comprex feltöltő töltési folyamata, szerkezeti kialakítása
A mechanikus feltöltők típusai
Változtatható geometriájú turbótöltők Forrás: autótechnika
Turbo-feltöltő felszerelése a motorra Forrás: Porsche Hungária Kft.
Kétfokozatú turbófeltöltés Forrás: autótechnika
Egy kétfokozatú turbótöltős motor: Forrás: autótechnika
Kétfokozatú turbófeltöltő működése alacsony fordulatszámon Forrás: autótechnika
Kétfokozatú turbófeltöltő működése közepes fordulatszámon Forrás: autótechnika
Kétfokozatú turbófeltöltő működése magas fordulatszámon Forrás: autótechnika