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 Rudolf angol tanárnő volt Diesel 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.
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
1. 2.
3.
4.
5.
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: a levegő adiabatikus (hőátadás nélküli) összesűrítése a hengerben, tüzelőanyag bevezetése az összesűrített levegőbe, a tüzelőanyag/levegő keverék elégése előbb állandó térfogaton (isochor állapotváltozás), majd állandó nyomáson (isobar állapotváltozás), adiabatikus expanzió, 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 Termikus hatásfok
Benzin motor 1 term 1
1
Diesel motor 1 term 1
1
1 1
7 -14
15 – 24
25 – 30 %
30 – 35 %
Csúcs nyomás
3,6 – 4,6 MPa
6,0 – 8,0 MPa
Kipufogási hőmérséklet
800 – 1000 ºC
500 – 600 ºC
20 – 40 milisec
4 – 8 milisec
4.500 – 6.200 ford/perc
2.500 – 5.200 ford/perc
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
Kompresszió viszony ε
Effektív hatásfok
Keveredési idő
Max. fordulatszám Fajlagos fogyasztás
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
FURAT
108 mm
LÖKET
130 mm
SÚLY LÖKETTÉRFOGAT * 2006 októbertől Forrás: RENAULT-TRUCKS Hungary Kft.
HENGERSZÁM SZELEPEK / HENGER
490 kg 4764 cm3 4 soros, álló 4
27
DXi5 – 160 LE motor-jelleggörbék 700
150 couple puissance
600
500
teljesítmény (kW)
nyomaték (tr/mn)
100
400
300
50 200
100
0
0 700
1000
1400
1700
2000
2300
2625
motor ford.szám (tr/mn)
118 kW (160 LE) 2300 tr/min / Mmax = 580 Nm 1200 – 1700 tr/min Forrás: RENAULT-TRUCKS Hungary Kft.
28
Típusmegnevezés
DXi 13 460
Magnum EU4/Eu5 official Power
DXi 13 500
Teljesítménygörbék
600
Max. teljesítmény
339 kW 1600 1800 f/perc
368 kW 1600 1800 f/perc
2300 Nm 1050 1400 f/perc
2450 Nm 1050 1450 f/perc
6
6
Furat
131 mm
131 mm
Löket
158 mm
158 mm
12 780 cm3
12 780 cm3
Max. nyomaték
Hengerek száma
Hengerűrtartalom
Engine Power (hp)
500
400
300
200
100
0 500
600
700
800
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300
Engine speed (rpm)
Lendkerékkel ellentétes oldal
Alapjárati fordulatszám
600 f/perc
600 f/perc
Leszabályozási fordulatszám
2150 f/perc
2150 f/perc
Maximális fordulatszám terhelten
1800 f/perc
Befecskendezés típusa
porlasztós-adagoló
Porlasztósadagoló
Táp
Töltőlevegő-hűtős turbókompresszor
Töltőlevegő-hűtős turbókompresszor
1800 f/perc
Magnum Eu4/Eu5 official Torque
Nyomatékgörbék
P3132 500hp P3132 460hp
3000
2500
Engine Torque (Nm)
Lendkerékkel ellentétes oldal
1. henger
2000
1500
1000
500
0
A motor tömege a tartozékaival
500
1143 kg
1143 kg
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 57°-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. 2. 3.
A gyulladási késedelem, vagyis a befecskendezési kezdet és a keverék gyulladása között eltelt idő, Az elő keverék égése, 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
Alkalmazott eljárások Forrás: Műszaki könyvkiadó
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
