Gépjárművek Üzemanyag ellátó Berendezései Dr. Szabó József Zoltán Egyetemi docens ÓE BDGBMK Mechatronikai és Autótechnikai Intézet
11./III. Előadás Diesel befecskendező rendszerek szabályozási feladatai
Befecskendező rendszerek A befecskendező rendszer működése meghatározó jelentőségű a motor teljesítménye, forgatónyomatéka, gazdaságossága, károsanyag kibocsátásának mértéke szempontjából, a fejlesztők sok különböző befecskendező rendszert hoztak létre, melyek közül sok manapság is használatos A motor jó hatásfokának érdekében a befecskendezőnek a következő követelményeknek kell eleget tennie: a motor adott üzemállapotának megfelelő mennyiségű gázolaj befecskendezése, minden üzemállapotban optimális előbefecskendezési szög biztosítása, a befecskendezés legkedvezőbb időbeni lefolyásának biztosítása, a szükséges befecskendezési nyomás létrehozása
A dízelmotor különféle üzemállapotai Indítás
Alapjárat Teljes
vagy részterhelés
Indítás Min. 200 f/p fordulaton létre a körfolyamat, ehhez már ezen a fordulaton megfelelő mennyiségű gázolajat kell adagolni Az adagnagyság mellett az előbefecskendezési szög is eltérő a többi üzemállapothoz képest Az indítási adag 30-50%-os többlet a maximális terheléshez képest (hőmérséklet, lecsapódás a hengerfalon, előkamrában stb.) Előbefecskendezés szempontjából hideg motornál: Túl korai befecskendezés = hideg falon lecsapódik a gázolaj, csak kevés párolog el – károsanyag, korom Túl késői befecskendezés = elhúzódik az égésfolyamat nincs idő az égéshez, a motor nem tud felgyorsulni, nem indul el a körfolyamat
Alapjárat Ez a legkisebb üzemi fordulat Hasznos teljesítmény nincs, csak a mechanikai veszteségek legyőzésére fordít munkát A zajkibocsátás és rezgések szempontjából kritikus állapot Ebben az üzemállapotban a motor különösen pontos mennyiség és előbefecskendezés beállítást igényel. jelentős gyulladási késedelem, a sűrítési végnyomás és hőmérséklet is kisebb, mint nagyobb fordulatszámon
Teljes terhelés és részterhelések A diesel motor teljes terhelése az a legnagyobb effektív munka, amelyet a motor az adott fordulatszámon, a maximális adagnagyság befecskendezéssel elér. Teljes terhelésen tehát a továbbiakban fordulatszám függvényében a mindenkori maximális befecskendezett mennyiséget fogjuk érteni.
Dízelmotorok vezérlési rendszereinek fejlődése
Diesel befecskendező rendszerek felhasználási területei
Működési sajátosságok teljes terhelésnél a ciklusadag térfogata a henger-lökettérfogat 20 000-ed része, és alapjáratban ez az arány eléri a 100 000-et Nagy nyomások miatt jó tömítettséget kell biztosítani Ezt precíz, pontos megmunkálással 1 – 3 µmes henger és dugattyú illesztéssel érik el Egy befecskendezéshez a dugattyú egy odavissza (szívó-nyomó) löketet tesz meg Feloszthatók a szabályozás módja, valamint a gyakorlati megvalósítás szerint
A befecskendező rendszerek teljesítmény szabályozása
a munkatérbe bejutó levegő mennyiségéhez képest változó mennyiségű tüzelőanyag befecskendezésével lehet a motor teljesítményét szabályozni. A légfelesleg tényező értéke széles határok között változik. A terhelés csökkentésekor a légviszony nő és vele együtt javul az indikált hatásfok Az egy ciklusban befecskendezendő tüzelő- anyag mennyiségét (adagnagyság) több tényező határozza meg. a gépkocsivezető szándéka, a gázpedál állása, a motor fordulatszáma, a motor hűtőközegének hőmérséklete, a beszívott levegő nyomása, hőmérséklete, a tüzelőanyag hőmérséklete A maximális adagnagyságot minden üzemállapotban korlátozzák a károsanyag kibocsátás törvényben előírt határértékei, a motor megengedhető legnagyobb fordulatszáma, a megengedhető hengertéri gáznyomás és hőmérséklet határok
A szabályozás módja szerint lehetnek Változó szívású és teljes ürítésű befecskendezőszivattyúk :
1. A dugattyú löketének változtatásával a) változó profilú bütyökkel b) állandó profilú bütyökkel, változó alátámasztású himbával 2: A szívás változó fojtásával
Állandó szívású és részleges ürítésű befecskendezőszivattyúk :
1. Vezérelt szeleppel 2. Fojtással 3. Forgó dugattyúval a) szívószeleppel b) szívószelep nélkül
Gyakorlati szabályozási megoldások: A hasznos löket megváltoztatása (a löket állandó, mennyiség csökkenthető pl. soros, disztribútoros) Fojtásos szabályozás (a feltöltődés mértéke változik, elzárjuk a belépő ágat, gyakorlatban főleg radiál-dugattyús forgóelosztó) Lökethossz változtatás (Jendrassik, Lucas DPC,DPS) Elektromágneses befecskendező szeleppel: (az adagot a szelep nyitvatartási ideje határozza meg, ide tartozik az összes új rendszer EDC VP,VE, PDTDI, Common Rail,)
A befecskendezett mennyiség (ciklusadag) számítása Adatok :
Peff 146 kW be 240 gr / kWh
nmot 2200 ford / p
nadagoló 1100 ford / p z 6
0,85 gr / cm 3 qciklus
Peff be 1000 z nadagoló 60
.......mm3 / löket
qüzemi 104,1 mm / löket 3
qalapjárat 15 mm3 / löket
A példában egy soros 6 hengeres motor adataival számoltam Ez egy teherautó motor. A 100 mm3-hez képest személyautóknál pl. 4-20 mm3 a szokásos adag nagysága, de mindenképpen 5-6x-os különbség van az alapjárat és max. terhelés között 15 mm3-nek kb. egy gyufafej nagyságú térfogat felel meg
Mennyiségszabályozás a hasznos löket megváltoztatásával: A
követelményeknek csak dugattyús szivattyúval (a common-rail rendszernél speciális nagynyomású szivattyúval) lehet eleget tenni. A szállított gázolaj adag nagyságát üzem közben nulla és egy maximális adagnagyság között bármilyen értékre be kell tudni állítani.
Bütykös mechanizmus dugattyúemelésének és sebességének törvényszerűségei
Ha a vezérlőbütyök-profil adott, a dugattyú útja, s =f(αsz) (a- ábra), és sebessége vd=f(αsz) (b-ábra) akkor, a befecskendezett térfogat egy löket alatt tág határok között változik (αsz- a bütykös tengely szögelfordulása) A befecskendezés kezdetén és végén a nyomáscsökkenés elkerülése érdekében a löketnek azon részeit, ahol a dugattyú kis sebességgel mozog, nem használjuk. Ennek érdekében az sh hasznos löketet a nagy sebességek tartományába kell elhelyezni az s1 és s2 löketek közé.
Mennyiségszabályozás a soros adagolós Bosch forgódugattyús rendszereknél
Az adag nagyságát a ferde vezérlőél szabályozza A dugattyú éle lezárja a furatot (ekkor alakul ki a magas nyomás), ami addig tart, amíg a ferde vezérlőél újra meg nem nyitja és a függőleges hornyon keresztül ki nem egyenlítődik a nyomás A szállítás ugyan megszűnik, de a dugattyú tovább mozog Mivel az él ferde, így a mennyiséget a dugattyú elfordításával tudjuk beállítani
Mennyiségszabályozás axiál-dugattyús rendszereknél (tolattyúval Bosch VE)
Az elemdugattyú előtti tér feltöltődik gázolajjal, majd az elemdugattyú a külső holtpont felé mozog és megkezdi a szállítást. Amikor a visszafolyó furat kilép a szabályozó tolattyú alól, a nyomás a dugattyú előtt térben és ezzel a nyomócsőben lecsökken, bezáródik a befecskendező fúvóka, a befecskendezésnek Vége. A szabályozó tolattyú tengelyirányban elmozdítható, ezzel a hasznos löket nagysága és a befecskendezett adagnagyság is beállítható
Fojtásos szabályozás
Ebben az esetben a szivattyúelem feltöltődésének mértékét lehet szabályozni a fojtás segítségével. Ha elzárjuk a belépő gázolaj útját, nem lesz szállítás, ez a nulla töltési helyzet, ha pedig teljesen kinyitjuk azt, akkor a befecskendező szivattyú a maximális adagnagyságot fogja szállítani. Részterhelésnél a fojtáson a szükséges mennyiségű gázolaj jut be a dugattyú fölötti térbe. A gyakorlatban ezzel főleg a radiális dugattyús forgóelosztós adagolóknál találkozunk
Ferde bütykös változó löketszabályzású befecskendező (Jendrassik)
A befecskendezőszivattyú az 1 hengerből áll, amelynek belsejében a 2 dugattyú mozog, amit a nyomólöketben a 3 bütyök a 4 görgős emelőn át, szíváskor pedig az 5 rugó működtet. A dugattyú felett a 6 szívó és 7 nyomószelep van elhelyezve. Ezzel a szivattyúval mindkét ismertetett szabályozási módszer megvalósítható, így ha a 6 szívószelep nem kívülről vezérelt, a dugattyú a beszívott egész tüzelőanyag-mennyiséget befecskendezi. A dugattyú lökete a vezérlő ferde (kúpos) bütyök tengelyirányú elmozdításával szabályozható. Ha a vezérlőbütyök hengeres, a dugattyú állandó tüzelőanyagmennyiséget szív be. Ebben az esetben a ciklusadag változása 7 a szívószelep külső vezérlésével érhető el A gépészeti lökethossz megváltoztatásával működő adagolók közül érdemes megemlíteni a GanzJendrassik adagolót, amely magyar találmány, hosszú időn keresztül gyártották. Ma ez a típus ugyan már nincs használatban.
Mennyiségszabályozás elektromágneses befecskendező szelepekkel
Az elosztócsőben kellően nagy nyomást hoz létre egy nyomásfokozó szivattyú, a nyomás folyamatosan terheli a befecskendező szelepeket, de befecskendezés csak akkor történik, ha az elektromágneses szelep nyit. A befecskendezett mennyiség a nyomástól és a szelep nyitvatartási idejétől függ. A befecskendező szelepeket a központi vezérlő egység irányítja. Ez az ún. „common-rail”, vagy magyarul közös nyomásterű befecskendező rendszer működési elve
Az előbefecskendezési szög szabályozása
Optimális működés feltétele - az égés megfelelő lefolyása, ezen belül az égési csúcsnyomás kialakulásának helye a dugattyú felső holtponti helyzetéhez képest.
Az előbefecskendezési szög növelésekor :
nő az égési csúcsnyomás nagysága növekszik a gyulladási késedelmi idő nő a nyomásnövekedés sebessége ez fokozott zaj és károsanyag kibocsátást okoz az égésfolyamat a felső holtponthoz képest előbbre tolódik, ami a sűritési munka növekedését és a terjeszkedési munka csökkenését okozza.
Az optimálisnál kisebb előbefecskendezési szög :
rontja a motor jellemzőit, mivel az égés későn kezdődik, elnyúlik a terjeszkedési ütemben, a nyomás- növekedés lassú, az égési csúcsnyomás kisebb lesz ugyanakkor a károsanyag kibocsátás növekszik
Egy sűrítési ütem
„A” pont a szállításkezdet. Forgódugattyú elem éppen elzárja a töltőfuratot, a VE adagoló dugattyúja elfordulva zárta a felöltőcsatornát és a külső holtpont felé mozdulva megkezdi a nyomás növelését. A nyomás terjedését és visszaverődése a nyomócsőben már elemeztük. A hang sebessége gázolajban kb.1400- 1500m/s. A nyomáshullám a sebességét befolyásolja a nyomás és a hőmérséklet is. A szállításkezdet és a befecskendezés kezdete közötti időtartam a befecskendezési késedelem. Értéke a nyomáshullám nyomócsőben mérhető terjedési idejétől függ. Ezért nem használhatunk tetszés szerinti, illetve eltérő hosszúságú nyomócsöveket. A befecskendezés kezdete és az égés kezdete között is látható a diagramon bizonyos késedelem („B” és „C” pontok között), ez a gyulladási késedelem Ez az időtartam sok tényezőtől függ (hőmérséklet, nyomás, fordulatszám), értéke 0,7 és 0,3 ms között van. A gyulladási késedelem ideje a fordulatszám növekedésével kismértékben csökken ugyan, de ha a befecskendezési és a gyulladási késedelem együttes értékét közel állandónak tételezzük fel A fordulatszám növekedése azt eredményezi, hogy uganannyi idő alatt a motor nagyobb szöggel fordul el, így az égés a „később” irányba tolódik.
A dízelmotor előbefecskendezés igénye
Ezért kell a szállításkezdet értékét a fordulatszám függvényében megváltoztatni. Erre szolgál az előbefecskendezésállító. Az állító szerkezet feladata a motor fordulatszámának növekedésekor az előbefecskendezési szög növelése. Az égésfolyamat időtartamát és ezzel a csúcsnyomás kialakulásának helyét a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége is befolyásolja. Ennek megfelelően az előbefecskendezési szöget a motor egy adott fordulatszámán is módosítani kell, ha a terhelés megváltozik. További befolyásoló tényező a motor hőállapota, hiszen ez megszabja a hőtfelesleget és ezzel a gyulladási késedelmi időt.
A dízelmotor előbefecskendezés igénye
A hagyományos soros adagolóknál rendszerint röpsúlyos, a forgóelosztós adagolónál hidraulikus szerkezet. Hideg motornál különösen alapjáratban szükséges az üzemmeleg motorhoz képest nagyobb előbefecskendezési szög, mivel ebben az esetben nagyobb a gyulladási késedelmi idő, igy az égésfolyamat túlzottan elnyúlna a terjeszkedési ütem felé. A motor pillanatnyi igényét mechanikus és hidraulikus szerkezetekkel csak megközelíteni lehet, az igazán pontos előbefecskendezés szabályozás az elektronikus irányítású rendszerekben lehetséges
A befecskendezés időbeni lefolyása
hagyományos rendszereknél elsősorban a bütyökprofil és a befecskendező fúvóka, ill. a kialakuló nyomáshullámok szuperponálódása szabja meg az időbeni lefolyást az újabb befecskendező szerkezetekben ezt más módon is befolyásolják a kisebb mértékű zaj és károsanyag kibocsátás érdekében. a korszerű közvetlen befecskendezéses dízelmotorok esetén alkalmazzák az ún. elősugarat vagy közismert idegen nevén a „pilot-adag” befecskendezést. Ez azt jelenti, hogy a befecskendezés kezdetén egy rendkívül kicsiny mennyiségű kb. 1 - 2 mm3 gázolajat juttat az égéstérbe majd ezt követi a főadag befecskendezése. A pilot befecskendezés hatása, hogy a nyomás növekedése a munkatérben egyenletesebb és kevésbé meredek lesz.
A befecskendezési nyomás szerepe A dizelmotorban a keverék kialakulása a sűrítési ütem végén a befecskendezést követően történik amikor a fúvókán át bejutott, elporlasztott gázolaj elkeveredik az összesűrített levegővel. A minél jobb keverékképzés érdekében a gázolaj párolgását is elősegíti, ha a porlasztás során a gázolajat minél kisebb méretű cseppekre bontják A porlasztás finomságának javítása együtt jár a befecskendezési nyomás növelésével.
A fordulatszám szabályozása
A dízelmotorokon alkalmazott szabályozókat csoportosíthatjuk a szabályozó erő vagy a szabályozott tartomány szerint.
A szabályozó erő szerint vannak :
mechanikus (röpsúlyos), hidraulikus, pneumatikus, ill. elektronikus szabályozók,
A szabályozott tartomány szerint :
kétfokozatú - másképpen alapjárati- és végfordulatszám szabályozók, összfordulatszám szabályozók, részterhelés szabályozók
A fordulatszám szabályozása
A dízelmotor fordulatszámának szabályozása a befecskendezett tüzelőanyag mennyiségének megváltoztatásával történik. Az ábrán látható az adagnagyság változása a motor fordulatszáma függvényében a hőmérséklet és a feltöltő nyomás szerinti korrekcióval. (LDAfeltöltőnyomástól függő teljes terhelési ütköző) Nem szabad elfelejteni, hogy a dízel szabályozók összetett feladatot látnak el, a fordulatszámot szabályozzák, de pl. az indító és alapjárati mennyiség előállítása vezérléssel történik.
A szabályozó erőt a röpsúlyok adják, melyeken a fordulatszám növekedésével nő a centrifugális erő. A szabályozóerő alkalmas áttételen keresztül rugóerő ellenében hat a mennyiség-állítóműre. Ez lehet a fogasléc vagy töltésállító rúd (hagyományos soros adagolóknál), szabályozó tolattyú (axiális dugattyús forgóelosztós adagolóknál) vagy fojtócsap (radiális dugattyús forgóelosztós adagolóknál), a szabályozóerő a szabályozó rugó erejét legyőzve a befecskendezett adag nagyságának csökkentését idézi elő. A szabályozó működését jellemzi az arányossági fok vagy másképpen a P-fok. Az elnevezés magyarázata az, hogy a terhelés változásával arányosan változik a motor fordulatszáma. Minden motorfordulatszámhoz tartozik egy meghatározott maximális forgató- nyomaték. A motor külső terhelésének csökkenése esetén a fordulatszám növekszik egészen a terheletlen állapotban mérhető (üresjárási) fordulatszámig. A P-fok ennek a fordulatszám változásnak a viszonya a teljes terhelési fordulatszámhoz képest. A P-fok értéke szabja meg, hogy a külső terhelés változásakor a motor fordulatszáma milyen széles tartományban változik. A dízelmotor felhasználási célja szerint különböző arányossági fokkal működő szabályozókat használnak. Járműmotorok esetén a szokásos P-fok 6 - 15%
Mechanikus szabályzók – P-fok
A kiegyenlítés a befecskendező szivattyú szállítási jellegének a módosítását jelenti. A dugattyús befecskendező szivattyúk ún. természetes szállítási jellege (korrekció nélküli szállítási jellege) a fordulatszám növekedésével növekvő adagnagyságot jelent. A szállítási jelleg kétféleképpen is módosítható. Pozitív kiegyenlítésről beszélünk, ha a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége növekvő fordulatszámmal csökken, Ellenkező esetben a természetes szállítási karakterisztikánál is erőteljesebben növekszik a mennyiség, ez a negatív kiegyenlítés. A pozitív kiegyenlítés alkalmazásának indoka a motor nyomatéki rugalmasságának a javítása, a motorba jutó levegő mennyiségének megfelelő tüzelőanyag mennyiség befecskendezése, a negatív kiegyenlítést turbófeltöltős motorokhoz használják, mivel itt a motor tüzelőanyag igénye az alsó fordulatszám tartományban, a természetes szállítási karakterisztika szerinti növekedésnél meredekebben nő
Kiegyenlítés (korrekció)
A szabályozó az alapjárati és a maximális fordulat-szám tartományban avatkozik be, a két tartomány között a gépjármű vezetője a gázpedállal közvetlenül a befecskendezett mennyiséget szabja meg, tehát az adagoló állítókarját mennyiség-állitó karnak nevezzük. A hideg motorba indításnál az A pontnak megfelelő mennyiséget fecskendezi be az adagoló, ha a vezető a gázpedált teljesen lenyomta. A motor beindulása után, mivel a fordulatszám növekszik, az adagnagyság csökken. Teljes terhelés esetén a szabályozatlan tartomány elérése után a szabályozórúd, vagy tolattyú helyzete nem változik a kiegyenlítés kezdetéig.
Kétfokozatú mechanikus szabályozó
Az ábra szerinti pozitív kiegyenlítés a befecskendezett adag nagyságának csökkenését okozza, majd a korrekciós tartomány után a szabályozórúd helyzete nem változik a maximális fordulatszám szabályozás kezdetéig. Innen a fordulatszámot tovább növelve a befecskendezett mennyiség a P-foknak megfelelő meredekséggel csökken, akár nulla mennyiségig. Ennek köszönhető, hogy a dízelmotor tolóüzemében (motorfék) nincs befecskendezés. Részterhelés esetén a szabályozás jellege változatlan, de a befecskendezett mennyiség a mennyiségállító kar állásának megfelelően kisebb. A gázpedál teljes felengedése esetén a szabályozórúd alapjárati helyzetébe áll be, szabályozás az alapjárati szabályozási görbe mentén történik.
Kétfokozatú mechanikus szabályozó
Ahol fontos az állandó motorfordulatszám tartása (Pl. traktorok, stabil motorok, stb.) összfordulatszám szabályozóval látják el, de gyakran alkalmazzák gépjármű motorokon is. Ennél a szabályozónál az adagoló állítókarjának helyzete egy fordulatszámot határoz meg, tehát itt fordulatszám előválasztó karról beszélhetünk. Ez a szabályozó az alapjárati és a végfordulatszám közötti tartományban is szabályoz A kívánt fordulatszámot az állítókaron kell beállítani, a teljes terhelés szabályozása a kétükozatú szabályozóhoz hasonlóan történik, közbenső fordulatszámok szabályozása a megfelelő görbe mentén lehetséges. A fordulatszám szabályozók sokféle gyakorlati kivitelben használatosak, az egyes konkrét szerkezetek a befecskendező szivattyúkkal együtt kerülnek bemutatásra
Összfordulatszám szabályozó traktor-adagoló
Elektronikus dízelszabályozás
A dízelmotorokkal szemben támasztott követelmények egyre pontosabb szabályozást igényelnek. Ez jelenti a környezetvédelmi előírások teljesítése, a fajlagos teljesítmény és forgatónyomaték növelése, a kisebb zajkibocsátás érdekében minden motor üzemállapotban, minél több motorjellemző figyelembevételével a lehető legpontosabb mennyiségszabályozást, előbefecskendezés szabályozást, a visszavezetett kipufogógáz mennyiség és a feltöltőnyomás szabályozását, az izzítás és egyéb szerkezetek (p1. klímakompresszor) irányítását. Mindezek a feladatok a hagyományos eszközökkel csak korlátozott mértékben teljesíthetők, az elektronikus szabályozás teszi lehetővé az igényelt pontosságú motorirányítást. Az elektronikus irányítású dízel befecskendező rendszerek többféle megjelölésével is találkozhatunk, ezek rendszerint a német, vagy angol megnevezések kezdőbetűiből alkotott mozaikszavak. Igy pl. EDS - Elektronische Diesel Steuerung, EDC - Electronic Diesel Control, ECD - Electronically Controlled Diesel System, EPIC Electronically Programmed Injection System. A különböző rendszereket tanulmányozva elvileg hasonló felépítéssel találkozunk.
A rendszer három fő részre osztható. A vezérlőegység az az elektronikus berendezés, amely az egész rendszer irányítását végzi. Tárolt programja és a motor aktuális üzemi jellemzői érzékelő jeladók jelei alapján előállítja a kimenő jeleit, amelyekkel működteti a különféle beavatkozókat. A vezérlőegység hőtől, mechanikai hatásoktól, külső zavaroktól védő (egyes esetekben hűtött) fémházban van, integrált áram- körökből felépített, a digitális technikán alapuló berendezés.
A vezérlőegység számára az egyes fizikai mennyiségeket villamos jellé alakító érzékelők feladatuk szerint különböző elven működnek
