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 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 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 µm-es henger és dugattyú illesztéssel érik el

Egy befecskendezéshez a dugattyú egy oda-vissza (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

löketmmq

löketmmq

löketmmnz

bPq

cmgr

z

pfordn

pfordn

kWhgrb

kWP

Adatok

alapjárat

üzemi

adagoló

eeff

ciklus

adagoló

mot

e

eff

/15

/1,104

/.......60

1000

/85,0

6

/1100

/2200

/240

146

:

3

3

3

3

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, 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 érhető el

A gépészeti lökethossz megváltoztatásával működő adagolók 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 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 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 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 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 dízelmotor előbefecskendezés igénye

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 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 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. (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 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 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 működő szabályozókat használnak. Járműmotorok esetén a szokásos P-fok 6 - 15%

Kiegyenlítés

(korrekció)

A kiegyenlítés a befecskendező szivattyú szállítási 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

Kétfokozatú

mechanikus

szabályozó

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.

Összfordu-

latszám

szabályozó

traktor-adagoló

Ahol fontos az állandó motorfordu-latszám 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

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