Gépjárművek Üzemanyag ellátóBerendezései

Szabó József ZoltánFőiskolai adjunktusBMF Gépészeti és Rendszertechnikai Intézet

11./III. Előadás

Diesel befecskendezőrendszerek szabályozási feladatai

Befecskendező rendszerekA befecskendező rendszer működése meghatározó jelentő-

ségű a motor teljesítménye, forgatónyomatéka, gazdasá-gossága, károsanyag kibocsátásának mértéke szempont-jából, 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 mennyiségűgázolaj befecskendezése, minden üzemállapotban optimális előbefecskendezésiszög biztosítása, a befecskendezés legkedvezőbb időbeni lefolyásának biztosítása, a szükséges befecskendezési nyomás létrehozása

A dízelmotor különféle üzemállapotai

IndításAlapjáratTeljes vagy részterhelés

IndításMin. 200 f/p fordulaton létre a körfolyamat, ehhez már ezen a fordulaton megfelelő mennyiségű gázolajat kell adagolniAz adagnagyság mellett az előbefecskendezési szög is eltérő a többi üzemállapothoz képestAz 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, koromTúl késői befecskendezés = elhúzódik az égésfolyamat nincs idő az égéshez, a motor nem tud felgyorsulni, nem indul el a körfolyamat

Alapjárat Ez a legkisebb üzemi fordulatHasznos teljesítmény nincs, csak a mechanikai veszteségek legyőzésére fordít munkátA zajkibocsátás és rezgések szempontjából kritikus állapotEbben az üzemállapotban a motor különösen pontos mennyiség és előbefecskendezésbeállítást 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 befecskendezDiesel befecskendezőő rendszerek rendszerek felhasznfelhasznáálláási tersi terüületeiletei

Működési sajátosságokteljes 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 biztosítaniEzt precíz, pontos megmunkálással 1 – 3 µm-es henger és dugattyú illesztéssel érik elEgy befecskendezéshez a dugattyú egy oda-vissza (szívó-nyomó) löketet tesz megFeloszthatók a szabályozás módja, valamint a gyakorlati megvalósítás szerint

A befecskendező rendszerek teljesítmény szabályozása

a munkatérbe bejutó levegő mennyiségéhez képest változómennyiségű 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 megengedhetőhengertéri gáznyomás és hőmérséklet határok

A szabályozás módja szerint lehetnekVáltozó 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 ürítésűbefecskendezőszivattyúk :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, LucasDPC,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

löketmmq

löketmmq

löketmmnzbP

q

cmgrz

pfordnpfordn

kWhgrb

kWPAdatok

alapjárat

üzemi

adagoló

eeffciklus

adagoló

mot

e

eff

/15

/1,104

/.......60

1000/85,0

6

/1100/2200

/240

146:

3

3

3

3

=

=

=⋅⋅⋅

⋅⋅=

=

=

==

=

=

ρ

ρ

A példában egy soros 6 hengeres motor adataival számoltamEz 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 között15 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 szabályozzaA 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 nyomásA szállítás ugyan megszűnik, de a dugattyú tovább mozogMivel az él ferde, így a mennyiséget a dugattyú elfordításával tudjuk beállítani

Mennyiségszabályozás axiál-dugattyúsrendszereknél (tolattyúval Bosch VE)

Az elemdugattyú előtti tér feltöltődik gázolajjal, majd az elemdugattyú a külsőholtpont felé mozog és megkezdi a szállítást.Amikor a visszafolyó furat kilép a szabályozó tolattyúalól, a nyomás a dugattyúelőtt térben és ezzel a nyomócsőben lecsökken, bezáródik a befecskendezőfúvóka, a befecskendezésnek Vége. A szabályozó tolattyútengelyirányban elmozdítható, ezzel a hasznos löket nagysága és a befecskendezett adagnagyság is beállítható

Fojtásos szabályozásEbben 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 löketszabályzásúbefecskendező (Jendrassik)

A befecskendezőszivattyú az 1 hengerből áll, amely-nek 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 tüzelőanyag-mennyiséget szív be. Ebben az esetben a ciklusadag változása 7 a szívószelep külső vezérlésével érhetőelA gépészeti lökethossz megváltoztatásával működőadagolók közül érdemes megemlíteni a Ganz-Jendrassik adagolót, amely magyar találmány, hosszú időn keresztül gyártották. Ma ez a típus ugyan már nincs használatban.

Mennyiségszabályozás elektro-mágneses 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 nagyságanövekszik a gyulladási késedelmi időnő a nyomásnövekedés sebessége ez fokozott zaj és károsanyag kibocsátást okozaz égésfolyamat a felső holtponthoz képest előbbre tolódik, ami a sűritésimunka 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 gáz-olajban kb.1400- 1500m/s. A nyomáshullám a sebes-ségét befolyásolja a nyomás és a hőmérséklet is. A szállításkezdet és a befecskendezés kezdete közötti időtartam a befecskendezési késedelem. Értéke a nyomáshullám nyomócsőben mérhető terjedési idejé-től 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 igényeEzért 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 előbefecsken-dezési 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 lefolyásahagyományos rendszereknél elsősorban a bütyökprofil és a befecskendezőfúvóka, ill. a kialakuló nyomáshullámok szuperponálódása szabja meg az időbeni lefolyástaz 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 szerepeA 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 cseppek-re 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 szabályozásaA 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. (LDA-feltöltőnyomástól 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.

Mechanikus szabályzók – P-fok

A szabályozó erőt a röpsúlyok adják, melyeken a for-dulatszám növekedésével nő a centrifugális erő. A szabályozóerő alkalmas áttételen keresztül rugóerőellenében 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 szabályozó-erő a szabályozó rugó erejét legyőzve a befecskende-zett 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 meghatáro-zott maximális forgató- nyomaték. A motor külső terhe-lésének 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 működőszabályozókat használnak. Járműmotorok esetén a szokásos P-fok 6 - 15%

A kiegyenlítés a befecskendező szivattyúszállítási jellegének a módosítását jelenti. A dugattyús befecskendező szivattyúk ún. ter-mészetes szállítási jellege (korrekció nélküli szállítási jellege) a fordulatszám növekedé-sével 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 mennyiségé-nek megfelelő tüzelőanyag mennyiség befecskendezése, a negatív kiegyenlítést turbófeltöltős motorok-hoz 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 gépjárművezetője a gázpedállal közvetlenül a befecskendezett mennyiséget szabja meg, tehát az adagolóállítókarját 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 tolattyúhelyzete nem változik a kiegyenlítés kezdetéig.

Kétfokozatúmechanikus 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-foknakmegfelelő 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.

Kétfokozatúmechanikus szabályozó

Ahol fontos az állandó motorfordu-latszám tartása (Pl. traktorok, stabil motorok, stb.) összfordu-latszámszabályozóval látják el, de gyakran alkalmazzák gépjármű motorokon is. Ennél a szabályozónál az adagolóállítókarjának 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

Összfordu-latszámszabályozó(traktor-dagoló)

Elektronikus dízelszabályozásA 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 motorjellemzőfigyelembevételével 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 lehetővéaz 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 - ElectronicDiesel Control, ECD - Electronically Controlled Diesel System, EPIC -Electronically Programmed Injection System. A különbözőrendszereket 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 jelléalakító érzékelők feladatuk szerint különböző elven működnek