Sajtóinformáció RBHU/MK Bxb_30602ba-d MPK_GS_h Közvetlen benzinbefecskendezés többletfunkciókkal: bepillantás a jövő benzinmotorjainak világába Dr. Rolf Leonhard, a Robert Bosch GmbH Benzines rendszerek ágazat vezetőségének tagja. Az 56-dik nemzetközi elhangzott előadás Boxberg, 2003. júniusa
autós
újságíró-kollokviumon
Az európai autógyártó ipar vállalta annak kötelezettségét, hogy 2008-ig az új autók átlagos szén-dioxid kibocsátását ami közvetlen összefüggésben áll azok tüzelőanyag felhasználásával – a 140 grammos kilométerenkénti átlagra csökkentse. A Bosch cég már 2000. óta sorozatgyártásban állítja elő a DI Motronic közvetlen benzinbefecskendező rendszert, amely az egyik leghatékonyabb eljárás az Otto-motorok fogyasztásának és szén-dioxid kibocsátásának csökkentésére. A réteges feltöltésnek köszönhetően – a szívócsőbefecskendezéssel összehasonlítva – a tüzelőanyag fogyasztás 10 százalékkal csökkent. Kiegészítő funkciók megjelenésével a DI Motronic-kal felszerelt motorok a jövőben még takarékosabbak és tisztábbak lesznek. Mivel emellett a motorok dinamikája, reakciója és nyomatéka is kedvezően változik, az új motorokkal szerelt gépkocsikat vezetni is kellemesebb. A közvetlen benzinbefecskendezést a turbófeltöltéssel kombinálva tovább csökkenthető az Otto-motorok fogyasztása: a névleges motorteljesítmény megtartása melletti méretcsökkentéssel - angol kifejezéssel élve a “downsizing“-gal – a kisebb lökettérfogatú motorok alacsonyabb tüzelőanyag-felhasználással üzemeltethetők. Ehhez a Bosch új, elektromos működtetésű segédkompresszora is hozzájárul. A berendezés az alacsony fordulatszámok tartományában növeli meg a motor nyomatékát, megszüntetve ezzel az indulási nehézségeket, amely a kis lökettérfogatú, turbófeltöltéses motorok esetében különösen szembetűnő lenne. Annak érdekében, hogy a forgalom által kikényszerített megállások a jövőben kevesebb tüzelőanyagot igényeljenek, a Bosch egy új, kedvező költségű “start-stop“ funkcióval bővítette a befecskendező rendszert. Ez a funkció álló gépkocsinál leállítja a
Robert Bosch Kft. Gyömrői út 120. H-1103 Budapest
Telefon: +36 1 43 13-8 52 Public Relations Telefax: +36 1 43 13-7 25 Raveczki Róbert E-mail:
[email protected] http://www.bosch.hu
–2– motort, majd továbbinduláskor újra beindítja, az indítómotor segítsége nélkül. A Bosch által kifejlesztett “start-stop“ funkció akár 5 százalék tüzelőanyagot is megtakaríthat. A Bosch a különösen alacsony károsanyag-kibocsátási értékek teljesítéséhez fejlesztette ki a kizárólag homogén keverékképzéssel működő közvetlen benzinbefecskendezést, amelyet szokványos hármashatású katalizátor egészít ki. Ennek segítségével az Otto-motorok már ma teljesíteni tudják az egyesült államokbeli szigorú emissziós előírásokat. A motorgyártók és beszállítóik szakemberei jelenleg a “befecskendezett sugárral irányított“ (strahlgeführte Brennverfahren) égetési eljárásokon dolgoznak, amely a réteges feltöltési elv továbbfejlesztett változata. Az Otto-motorok ezáltal még tisztábbak és takarékosabbak lehetnek, mivel a tüzelőanyag az eddigieknél hatékonyabban égethető el. A Bosch már fejleszti azokat a befecskendező szelepeket, amelyek lehetővé teszik ezt az eljárást.
Közvetlen befecskendezésű és alacsonyabb fogyasztás és szolgálatában
feltöltött motorok az élvezetesebb autózás
A jelenleg használatos turbófeltöltős motorok kiemelkednek nagy fajlagos teljesítményükkel, amely a 100 kilowattot is meghaladja a lökettérfogat minden literére vonatkoztatva, gyakran alulmaradnak azonban a takarékosság tekintetében. A DI Motronic-kal felszerelt motort turbófeltöltéssel kombinálva a tervezőmérnökök már a motorok tervezése során kiküszöbölhetik a magas tüzelőanyag-fogyasztást. Mivel a közvetlenül az égéstérbe fecskendezett benzin lehűti az elégetendő keveréket, a jelenlegi turbófeltöltéses motoroknál nagyobb mértékű lehet a sűrítés, anélkül, hogy fennállna az öngyulladás következtében ellenőrizhetetlen lefolyású égés. Ennek kiegészítéseképpen a közvetlen befecskendező rendszer a két részre osztott teljesterhelési mennyiséggel optimalizálja a tüzelőanyag elégetését. A két intézkedés együtt a motor teljes üzemi tartományában növeli meg annak hatásfokát, és hozzávetőleg 3 százalékkal csökkenti a benzinfelhasználást. A szívócső-befecskendezéssel működő motorok esetében a magas kipufogógáz hőmérsékletek jelentős mértékben meghatározzák a feltöltőrendszer kialakítását. A többi paraméter, mint például a turbófeltöltő reagálása a változó terhelési viszonyokra, a nagy motorteljesítmény, az alacsony benzinfogyasztás, sok esetben nem vehető figyelembe az elvárt mértékben. Minthogy a közvetlen benzinbefecskendezéssel működő motorok kipufogógáz hőmérséklete alacsonyabb, nagyobb játéktér áll a tervezőmérnökök rendelkezésére ahhoz,
–3– hogy a feltöltőrendszert a többi optimalizációs célhoz illesszék. A közvetlen benzinbefecskendezés és a turbófeltöltés az alapja a méretcsökkentési (Downsizing) koncepcióknak, amelyek további fogyasztáscsökkentés ígéretével kecsegtetnek. A méretcsökkentés során a hagyományos szívómotorokat kisebb, de azonos teljesítményű, kisebb fogyasztású feltöltött motorokkal helyettesítik. Az alapváltozathoz (a nem feltöltött és szívócső-befecskendezéssel ellátott) motorhoz képest 30 százalékkal csökkentett lökettérfogatnál például, azonos névleges teljesítmény leadása mellett, 14 százalékkal csökkenthető a tüzelőanyag fogyasztás. Még nagyobb, 50 százalékkal kisebb lökettérfogat esetében a fogyasztás tovább csökkenthető, noha ehhez már további kiegészítő megoldásokra van szükség a teljesítmény optimális kifejtéséhez. Az elektromos segédkompresszornak köszönhetően nincs többé turbólyuk Éppen a jövőben egyre nagyobb darabszámban piacra kerülő, kis lökettérfogatú, kedvező fogyasztású turbómotorok esetében szembetűnő elinduláskor az úgynevezett “turbólyuk“ jelensége. A hagyományos, egylépcsős turbófeltöltés alacsony fordulatszámokon vagy dinamikus üzemmódban nem képes kielégítő térfogatú feltöltő levegő szállítására. Ezekben az esetekben a Bosch új elektromos segédkompresszora látja el a motort a megfelelő mennyiségű levegővel. A kiegészítő kompresszor az elindulásra és gyorsításra jellemző fordulatszámokon akár 50 százalékkal is megnövelheti a motor nyomatékát, és menet közben is segíti a többlet nyomaték előállítását – mégpedig gyakorlatilag késedelem nélkül. Ennek támogatásához az elektronikus szabályzás tárolja a vezetőnek a motornyomatékkal kapcsolatos igényeit, és így előre “megérzi“ jövőbeni kívánságait. A mérsékelt méretcsökkentésen átment motorok esetében a közvetlen befecskendezés és a segédkompresszor kombinálásával a hagyományos motorokhoz viszonyítva lényegesen élvezetesebben vezethető autók készíthetők. A szélsőségesen méretcsökkentett motorok ugyanakkor csak a segédkompresszorral kiegészítve mutatnak megfelelően dinamikus viselkedést. A kompresszor rendszerbe illesztésének fontos feltétele annak kielégítő ellátása elektromos energiával. A Bosch ezt úgy oldotta meg, hogy a berendezés a 12 voltos hálózatról is működtethető legyen. Start-stop funkciók közvetlen motorindítással A jelenleg használatos autók akkor is tüzelőanyagot fogyasztanak, ha a forgalom következtében egy pirosra
–4– váltott közlekedési lámpa előtt vagy a közlekedési dugóban kell várakozniuk,. Segítséget jelentenek ebben az esetben az úgynevezett “start-stop” funkciók, amelyek a gépkocsi megállása után megszakítják a benzin bevitelét, majd továbbinduláskor újra beindítják a motort. Mindezidáig erre a célra bonyolult külső berendezésekre volt szükség. Teljesen másként van ez a Bosch új, kedvező költséggel megvalósítható közvetlen indítási rendszerével (“Direktstart“), amely a hagyományos indítómotort támogatja. A közvetlen indítás – a közvetlen befecskendezés kiegészítő funkciójaként – széles működési tartományban kizárólag a keverék begyújtásával helyezi újra üzembe a motort, anélkül, hogy ehhez az indító motort kellene használnia. Az eredmény 5 százalékos fogyasztáscsökkentéssel jár, valamint kényelmes, halk és csendes motorindítással, alacsony indítási emissziókkal. A funkció alkalmazása ezenkívül tehermentesíti az elektromos indítómotort, különösen alacsony környezeti hőmérsékletek mellett, illetve nagy hengerszámú motorok esetében. Alacsony emissziós értékek a katalizátor fűtése és a feltöltésű indítás
DI Motronic-kal – a nagynyomású réteges
A Bosch közvetlen benzinbefecskendező rendszere rugalmasan alakítható a motorkonstruktőrök igényeinek megfelelően. Az Otto-motorok esetében a keverék réteges kialakítása felel az alacsony tüzelőanyagfogyasztásért. A rendkívül alacsony emissziós értékek eléréséhez a Bosch a homogén keverékképzésű DI Motronic-ot szállítja. Amennyiben ezeket a rendszereket a szokványos hármashatású katalizátorokkal társítják, teljesíthetők akár a jövőbeni szigorú emissziós előírások is, mint például a SULEV (Sub Ultra Low Emission Vehicle = ultra alacsony alatti emissziójú jármű) határértékei, amelyek a 2004-es modellévtől kezdődően lépnek hatályba az egyesült államokbeli piacokon. A SULEV szabvány szerint a járműveknek a tesztciklus (FTP75) során kevesebb, mint 0.01 gramm szén-hidrogént, illetve 0.02 gramm nitrogén-oxidot szabad kibocsátaniuk, egy mérföldes útszakaszra vetítve. Ennek elérésében segít a a Bosch közvetlen befecskendező rendszere, amely a széles tartományban változtatható befecskendezési lefutásnak köszönhetően a katalizátor gyors felmelegedéséhez, és így kevés károsanyag kibocsátásához vezet a hidegindítás során. A kipufogógázban lévő károsanyagok optimális átalakítását ugyanis csak az üzemi hőmérsékletre felmelegített katalizátor végzi el, a motor bemelegedési szakaszában tehát a lehető leggyorsabban kell elvégezni annak bemelegítését. A Bosch ehhez továbbfejlesztette a katalizátor felmelegítésének a szívócsőbefecskendezéses motorok esetében már jól bevált mód-
–5– szerét, amely a forró kipufogógázokat alkalmazza. A befecskendezésnek két részre osztásával, amelyek közül az első a szívó, a második a sűrítési ütemben következik be, (Homogen-Split-Doppeleinspritzung = szétválasztott kettős homogén befecskendezés), a motor bemelegedése során a tüzelőanyag-keverék lényegesen később gyújtható meg, anélkül, hogy kockáztatnánk az esetleges egyenetlen motorjárást, vagy a gyújtás kimaradását. Ezen a módon forró kipufogógázok jönnek létre, amelyek az eddiginél akár kétszer is gyorsabban képesek a katalizátort az üzemi hőmérsékletre melegíteni. A Bosch új indítási stratégiája hideg motor esetében csökkenti az emissziót. A nagynyomású réteges feltöltésű indítás során a DI Motronic csak közvetlenül a gyújtás bekövetkezte előtt fecskendezi be a benzint, közvetlenül az égéstérbe. Abban a pillanatban az összesűrített levegő már több mint 100 Celsius fok hőmérsékletű. Ez rendkívül jó keverék előkészítést eredményez, már alacsony környezeti hőmérsékleten is. Az akár a homogén keverékkel üzemeltetett motorok esetében is elvégezhető, réteges keverékkel végzett indítás során ugyanis a szénhidrogén kibocsátás 30-tól 50 százalékig csökken, egy olyan motorral összehasonlítva, amelynek közvetlen befecskendező rendszere az indítási szakaszban alacsony nyomáson hozza létre a homogén keveréket. Befecskendezett sugárral irányított égési eljárások A Bosch már dolgozik a “befecskendezett sugárral irányított“ égetési eljárások továbbfejlesztésén, amelyek a jövendő Otto-motorokat még takarékosabbá és még tisztábbá tehetik. Ehhez a középen, az égéstér tetején elhelyezett befecskendező fúvóka annyira finoman elporlasztva fecskendezi be a benzint, hogy a keletkező benzin-levegő keveréket azonnal meg lehet gyújtani. Ezzel a módszerrel szükségtelenné válna a napjainkban alkalmazott eljárás, amelynél a keveréket az égéstér fala mellett és/vagy a kialakuló légáramlattal szállítják az égéstér belsejében. Ilyen módon megtakarítható az energia, s ezáltal tüzelőanyag is, amely az erős keverékáramlás létrehozásához szükséges, az égő keverék és az égéstér fala közötti jobb hőszigetelés pedig további előnyökkel jár a hatásfok szempontjából. Összességében elmondhatjuk, hogy a befecskendezett sugárral irányított égési eljárás további 5 százalékkal csökkenti a motor fogyasztását a jelenleg használatos közvetlen befecskendezési eljárásokhoz képest. A Bosch várakozásai szerint az új égési eljárásokat legkorábban 2006-ra alkalmazhatják a gyakorlatban. Jelenleg a Bosch két teljesen különböző típusú befecskendező szelep fejlesztésén dolgozik a befecskendezett sugárral irányított égési eljáráshoz: a
–6– többfuratú elektromágnessel vezérelt és piezo-kristállyal vezérelt változaton.
egy
másik,
A többfuratú befecskendező szelepek esetében a tüzelőanyagot a szelep csúcsán lévő 6 ... 10 furatos korong porlasztja el nagyon finoman. A furatok eltérő pozícionálásával a tüzelőanyag sugár geometriáját a különböző égésterekhez lehet illeszteni. Ez nagyon fontos szempont a stabil égési folyamat megvalósításához, többek között lehetővé teszi, hogy a befecskendező szelepet különböző motorkialakításokhoz használhassák, ezenkívül megkönnyíti a tervezők számára az áttérést a jelenlegiről a jövőben alkalmazandó égési eljárásokra. A többfuratú befecskendező szelep és az elektromágneses állítómű kombinációja kedvező árú, kompakt befecskendező szelep gyártását teszi lehetővé. Különösen alkalmasak a befecskendezett sugárral irányított égési eljárás követelményeihez a piezokristállyal működtetett, gyorskapcsolású befecskendező szelepek. A mágnesvezérelt szelepekhez képest kétszer rövidebb kapcsolási idejükkel a befecskendezés lefutása még szélesebb határok között változtatható. Rövid, gyors befecskendezésekkel például – amelyek a környezeti levegővel ellentétesen hatnak – keverékáramlásokat lehet létrehozni az égéstér belsejében, amelyeket a keverékképzésben és annak belobbantásában lehet hasznosítani. Egy ún. “A“ fúvókával kombinálva – amely egy kifelé nyíló, gyűrű alakú résen adagolja a benzint, és különálló tüzelőanyag sugarak helyett egyetlen kúpos befecskendezési sugarat állít elő – az új befecskendezési eljárásban rejlő fogyasztáscsökkentési lehetőségek maximálisan kiaknázhatók. Ugyanakkor a többfuratúakhoz képest ezek a szelepek nagyobbak, előállításuk pedig bonyolultabb. DI Motronic – egy rendszer, fogyasztáscsökkentési eljárás
amely
több
mint
egy
A közvetlen befecskendezésnek eredetileg elsősorban a benzinmotorok fogyasztását kellett csökkentenie. Napjaink Bosch DI Motronic-ja ennél lényegesen többre képes. Minthogy feltöltött motorok esetében is lehetővé teszi a fogyasztás csökkentését – anélkül azonban, hogy csökkentené azok széles fordulatszámtartományát – kitűnő lehetőséget kínál a dinamikus erőleadású motorok készítéséhez. Ezen kívül a közvetlen befecskendezés ideális rendszer a világszerte szigorodó emissziós határértékek betartásához. A közvetlen benzinbefecskendezésben egyre több autógyártót győztek meg: az 1.4 és 6.0 literes lökettérfogat kilowattos teljesítménytartományban
rejlő lehetőségek a Bosch jelenleg között, 77 és 327 gyártott széria-
–7– motorokhoz szállít rendszereket. Emellett a Bosch DIMotronic-ot alkalmazzák a motorsportban is: a 24 órás Le Mans-i versenyen a 2002-es évben az Audi R8 háromszoros fölényes győzelmet ünnepelhetett – a 2001-ben aratott kétszeres győzelem után. Ebben az évben a Bosch közvetlen befecskendezésével felszerelt versenyautók újra a starthoz állnak.
