Korszerû traktormotorok hajtóanyag-felhasználása

A belsõégésû motor kedvezõ hatásfokának biztosításához a befecskendezõ rendszernek több követelménynek együttesen kell eleget tenni:

• a motor mindenkori üzemállapotának megfelelõ gázolaj mennyiség befecskendezése az égéstérbe,
• minden üzemállapot esetén megfelelõ idõben történjen a befecskendezés, azaz optimális elõbefecskendezési szög beállításnál kezdõdjön a befecskendezés,
• az optimális égéshez a szükséges befecskendezési nyomás biztosítása,
• biztosítani kell a befecskendezés legkedvezõbb idõbeli lefolyását.

A gyakorlatban alkalmazott mezõgazdasági erõgépekbe- és munkagépekbe szerelt dízelmotorok általános mûködési elve meghatározza a motorba juttatott tüzelõanyag minõségi szabályozását. Ez a hengertérbe juttatott állandó mennyiségû levegõhöz képest változó mennyiségû tüzelõanyag befecskendezését jelenti, miáltal lehet a motor teljesítményét változtatni, illetve szabályozni. A motor légfelesleg tényezõje tág határok között változtatható. Motor terhelésének változtatásával a légviszony is változik, ami hatást gyakorol a motor hatásfokára. Ebbõl a szempontból a motor nagy terhelési állapota a kritikus, a viszonylag kis légviszonyból adódó tökéletlenebb égés és a nagyobb mennyiségû kibocsátott káros anyag miatt.

A belsõégésû motorok teljesítményét egy adott motor fordulatszámon a befecskendezett adag nagysága határozza meg, míg a változó terhelés hatására állandó adagmennyiség mellett a motor fordulatszáma változik. A terhelés csökkenése a fordulatszám növekedéséhez vezet, ami olyan mértékû is lehet, hogy a motort a maximális igénybevételnek teszi ki. Ennek elkerülésére a motor meghatározott fordulatszámának elérését követõen a befecskendezési adag mennyiségét csökkenteni kell. A másik kritikus fordulatszám az alapjárati fordulatszám, amikor a befecskendezett tüzelõanyag mennyiségét szabályozni kell. A mezõgazdaságban használt erõgépek teljes üzemi tartományában szabályozni kell a befecskendezett tüzelõanyag mennyiségét. Az összfordulatszám szabályzóval ellátott befecskendezõ szivattyúknál az adagoló állítókarjának helyzete egy fordulatszámot határoz meg, így ezzel a beállítással a fordulatszámot un. elõválasztással határozzuk meg. A fordulatszám szabályzó az alapjárati és a maximális fordulatszám közötti teljes tartományban szabályoz.

Az egy ciklusban befecskendezendõ tüzelõanyag mennyiségét több tényezõ is befolyásolja. Így a gázkar állása, azaz a motor fordulatszáma, a beszívott levegõ nyomása, a tüzelõanyag hõmérséklete és a motor hûtõközegének hõmérséklete. Ezek alapján a motor maximális adagnagyságát minden üzemállapotban befolyásolják a káros anyag kibocsátás – elõírásokban meghatározott – határértékei, a motor megengedett legnagyobb fordulatszáma, a hengertérben levõ gáznyomás és a hõmérséklet határok. A motor alkatrészeinek mechanikai és hõigénybevétele is korlátot szab a legnagyobb befecskendezhetõ adagmennyiséggel szemben. Az égéstérben lezajló égésfolyamat során keletkezõ gyors nyomásnövekedés és a magas égési nyomások a forgattyús hajtómû számára jelentenek nagyfokú mechanikai igénybevételt, míg a kipufogógáz hõmérsékletének korlátozása a motor és kipufogó rendszer alkatrészeinek védelme miatt szükséges.

Elektronikus vezérlésû hajtóanyag-ellátó rendszerek jellemzõi

A motor mûködésébõl fakadó feladatok ellátására a hagyományos mechanikus elemek korlátozott mûködésre képesek, így a hozzájuk kapcsolt elektronikus szabályozás lehetõvé teszi az igényelt pontosságú motorvezérlést és irányítást. Az elektronikus irányítású dízel befecskendezési rendszerek többféle megjelölését is alkalmazzák (pl. EDS-Elektronische Diesel Steuerung; EDC-Electronic Diesel Control; ECD-Electronically Controlled Diesel System; EPIC-Electronically Programmed Injection System stb.).

Az elektronikus dízelszabályozási rendszerekig vezetõ utat a dízeladagolással szemben a mennyiségileg és minõségileg folyamatosan növekvõ igények kielégítése jellemezte. Az összeépített mûszaki megoldások hagyományos elemekbõl kerültek kiépítésre, azaz a mechanizmusokban hidraulikus, pneumatikus, elektromágneses úton mûködtetett beavatkozók segítették megvalósítani az illesztési feladatokat.

Az elektronikus dízel szabályozási rendszerektõl elvárjuk, hogy finom szabályzású, minél több befolyásoló szabályozó paramétert figyelembe vevõ, nagy tûrõképességû elemekkel mûködjenek hosszú élettartammal.

Az elektronikus dízel szabályozási rendszerek három fõ részre oszthatók:

• jeladók, érzékelõk: mérik a mûködést befolyásoló tényezõket, melyeket felhasználva történik az adatfeldolgozás, az egyes fizikai mennyiségeket villamos jellé alakító érzékelõk feladatuk alapján többféle elven mûködhetnek (pl. változó, illetve változtatható ellenállások, indukciós jeladók, fordulatszám érzékelõk, nyomásérzékelõk stb.);
• vezérlõ egység: az az elektronikus berendezés, mely a teljes rendszer irányítását végzi, tárolt programja biztosítja a motor aktuális üzemi állapota alapján az elõállított kimenõ jeleket, ezek mûködtetik a különféle beavatkozókat;
• beavatkozó elemek: segítségével mûködtethetõk a befecskendezõ egységeket az irányító egység jelei alapján, feladatuk a mennyiségszabályozás, az elõ-befecskendezés állítás, a kipufogógáz visszavezetés, izzítórendszer mûködtetése.

A dízelmotorok minõségi szabályzásúak, mivel a motor kimenõ jellemzõit a tüzelõanyag adagmennyiségével lehet szabályozni. Ez az adagmennyiség meghatározza a légfelesleg tényezõt, valamint a keverési arányt.

A befecskendezés elektronikus szabályzásával az alábbi jellemzõket változtatjuk, illetve befolyásoljuk:

• befecskendezett tüzelõanyag-mennyiség (dózis),
• elõbefecskendezési szög, illetve a befecskendezés kezdete,
• levegõ töltõnyomás (turbófeltöltõs motoroknál),
• a kipufogógáz-visszavezetés mértéke.

Az elektronikus szabályzású dízelmotorok olyan eszközzel egészülnek ki, mellyel elõsegíthetõ a befecskendezés folyamata során a szükséges paraméterek értéke.

Alapjában véve elmondható, hogy az elektronikus szabályzású egységek a hagyományos, mechanikus adagoló szivattyúkra épülnek, és azok másodlagos rendszereit helyettesítve korszerûbb konstrukciós megoldást eredményez. A befecskendezés kezdetét alapvetõen két tényezõ befolyásolhatja: az elektronikus szabályzású rendszereknél az, hogy az adagmennyiség szabályozása a befecskendezõ szivattyú oldaláról történik-e a vezérlõél segítségével („élvezérlés”), vagy pedig mágnesszelepek mûködtetésének idõtartama befolyásolja azt („idõvezérlés”).

Az „élvezérlésû” rendszereknél tulajdonképpen a mechanikus mûködtetõ elemeket váltották fel olyan aktuátorokkal, melyeket elektronikus úton szabályoznak, természetesen a beérkezõ alapinformációk ismeretében.
 
Soros elrendezésû adagolók elektronikus szabályzása

A soros befecskendezõ szivattyúk elektronikus úton történõ irányításának lehetõségét a fogasléc vagy a töltésállító rúd helyzetének változtatása biztosítja. Ezt az állítást elektromágnes segítségével lehet a legegyszerûbben megoldani. Az elektromágnest közvetlenül a fogasléchez csatlakoztatjuk. A tekercs árammentes helyzetében egy rugó tartja a fogaslécet alaphelyzetben (nulla töltés pozíció). A tekercs gerjesztésekor a mágneses húzóerõ a rugóerõ ellenében mozdítja el a fogaslécet a töltés növelésének irányába. Minden fogasléc helyzethez tartozik egy töltési pozíció is, melyet a mágneses húzóerõ és a rugóerõ egyensúlyi helyzete határoz meg. A fogasléc helyzet pontos érzékelése szükséges a központi vezérlõegység irányába, mivel ezáltal szabályozható a töltés a terhelés függvényében.

Az elõbefecskendezés állító szerkezete lehet a hagyományos röpsúlyos kialakítású mechanikus szerkezet vagy az elektronikus szabályzást egyszerûbbé tevõ lökettolókás szerkezetû (ennek mûködését a korábbi számban ismertettük). A befecskendezett mennyiséget élvezérléssel állítjuk be a dugattyúelem elfordításával, míg a szállítás kezdetét a lökettolóka magassági helyzete szabja meg. A tolóka magassága hasznos löket nagyságát nem változtatja az csak a vezérlõél pozíciójától függ. A tolóka mozgatása kis erõt igényel, így ezt elektromágnessel lehet irányítani, melyet a központi vezérlõegység szabályoz. A szállítás kezdetét minden egyes motorüzemállapotnak megfelelõen központi vezérlõegység szabályozza, a tényleges pozíciót a motor szöghelyzetérzékelõjének helyzete is befolyásolja. A szükséges és tényleges pozíció közötti eltérés alapján mûködtetjük a tolókát mozgató elektromágnest.

Forgóelosztós adagolók elektronikus szabályzása

Az elektronikus szabályzású befecskendezõ szivattyúk felépítése megegyezik a hagyományos mechanikus szabályzásúakkal, különbség csak abban van, hogy a szabályzógyûrû mozgatását egy elektromágnes végzi. A mennyiségállító szerkezet egy tengely körül elforduló elektromágneses tekercs, melyben a folyó áram által létrehozott mágneses erõtér húzóereje a rugóerõ ellenében dolgozik. Az elektromágnest itt is központi vezérlõegység mûködteti, amely a kitöltési tényezõt változtatja meg. Az állítómûhöz csatlakozik egy elmozdulás érzékelõ, mely a valóságos elfordulás nagyságát méri és jelzi a központi vezérlõegységnek.

Az elõbefecskendezés állító szerkezetének felépítése és mûködése is hasonló a mechanikus mûködésû adagolókéhoz. Az állítódugattyúra ható nyomást egy elektromágneses szeleppel változtatja a központi vezérlõegység. Az állítódugattyú nyomóoldala fojtáson keresztül csatlakozik a befecskendezõ szivattyú belsõ teréhez és az elektromágneses szeleppel a tápszivattyú szívóoldalához. Az adagoló belsõtéri nyomása hat a dugattyúra, ha a mágnesszelep zárt, azonban nyitott szelepnél a nyomás lecsökken.

Adagolóporlasztók

A ma használatos adagolóporlasztók jellemzõje az elérhetõ nagy befecskendezési nyomás, melyhez kis fúvókaátmérõ tartozik, ezzel nagyon jó a porlasztás minõsége. A jó minõségû porlasztás jobb égési folyamatot biztosít, ami kedvezõ fajlagos hajtóanyag-felhasználást és kisebb mértékû károsanyag-kibocsátást biztosít.

Mûködésének lényege, hogy hengerenként külön befecskendezõ szivattyút alkalmaznak, amelynek a dugattyúját vezérmûtengelyrõl, himba segítségével mûködtetik. A befecskendezõ szivattyút egybeépítik a porlasztóval, melyet elektromágneses szeleppel vezérelnek.

Mûködési elve a következõ:

• feltöltõdés fázisa: a dugattyú a külsõ holtpont felé mozog, ugyanakkor gázolaj áramlik a nyitott vezérlõszelepen át a nyomótérbe,
• elõlöket fázis: a lefelé mozgó dugattyú kiszorítja a tüzelõanyagot a nyitott szelepen keresztül, nyomásnövekedés ekkor még nincsen,
• befecskendezés fázisa: a szükséges elõbefecskendezési helyzet elérésekor a központi vezérlõ egység zárja a szelepet, a nyomás nõ, és nyit a befecskendezõ fúvóka, a befecskendezett mennyiséget a vezérlõszelep zárva tartási idõtartama szabja meg, mivel a szelep nyitásakor a nyomás lecsökken és a befecskendezõ fúvóka zár,
• maradék löket fázisa: a dugattyú a befecskendezés befejezése után tovább mozog a belsõ holtpont felé, de ekkor már nincs befecskendezés.

Az adagolóporlasztók másik használatos megoldása, amikor a nagynyomású befecskendezõ szivattyút és porlasztót külön egységként használja. Ezeket egymással nagynyomású nyomócsõ köti össze. Alkalmazásának elõnye, hogy nem szükséges a hengerfej konstrukciójának megváltoztatása, a mûködtetés közvetlenül a vezérmûtengelyrõl történik, ugyanakkor a szivattyúelem ki- és beszerelése is egyszerûbb.

Az adagolóporlasztók különleges megvalósítása az elektrohidraulikus szervoadagoló (HEUI). Ebben az adagolóporlasztóban a nyomást nem mechanikus, hanem hidraulikus elemek állítják elõ, ami érzéketlenebb a befecskendezést befolyásoló tényezõkre (pl. motorfordulatszám). Mûködésének elve, hogy a befecskendezõ dugattyú egy lépcsõs kialakítású nyomásnövelõ dugattyú melynek nagy keresztmetszetû oldalára hat a mûködtetõ hidraulika olajnyomása. A tüzelõanyag golyós visszacsapó szelepen keresztül jut az adagolóporlasztó belsõ terébe, közben feltölti a nyomásfokozó szivattyú hengerterét, illetve a porlasztó csatornáit is.

Közös nyomásterû befecskendezõ rendszerek

Az eddig leírt befecskendezõ rendszerektõl mûködésében és felépítésében is eltérnek a közös nyomásterû befecskendezõ rendszerek. A tüzelõanyag tartályból elõtápszivattyú juttatja a tüzelõanyagot a fõ szûrõn keresztül a nagynyomású szivattyú egységbe. Ez ~1500–1800 bar nyomással szállítja a tüzelõanyagot az elosztócsõbe. A motor aktuális üzemállapotának megfelelõ nyomásértékét a központi elektronika szabályozza, míg az elosztócsõben levõ pillanatnyi nyomásértéket egy piezoelektromos érzékelõvel méri.

A befecskendezés az elektromágnessel mûködtetett befecskendezõ szelep nyitásakor kezdõdik és a szelep zárásáig tart. Ebbõl is látható e rendszer elõnye, a befecskendezés kezdeti értéke széles tartományban változtatható, a befecskendezés idõbeli lefolyása az adagmennyiségek és a befecskendezés idõtartamának pontos kialakítása lehetséges, sõt az utóadagok befecskendezésére is van lehetõség. A befecskendezési nyomás szabadon választható, alacsony fordulatszámon és kis terhelés mellett is, a befecskendezõ fúvókákon a teljes elosztócsõ nyomása jelenik meg, nem csak a nyitónyomás. A befecskendezett tüzelõanyag mennyiségét a nyomás és a befecskendezõ szelep nyitvatartási ideje együttesen határozza meg.

A közös nyomásterû rendszerekben alkalmazott nagynyomású szivattyúk feladata az elosztócsõben szükséges nyomás elõállítása. A nagynyomású szivattyú két radiális dugattyúpárból áll, amelyek felváltva végeznek szívó-, illetve nyomóütemet. A forgóalakos gyûrû kényszeríti a dugattyúkat befelé irányuló mozgásra, ezzel történik a tüzelõanyag szállítása az elosztócsõ felé. A kifelé mozgó dugattyúk között a tér növekszik, ide az elõtápszivattyú nyomja a tüzelõanyagot. A szállítandó tüzelõanyag-mennyiség biztosítása érdekében a motor vezérlõegysége mûködteti a szelepet, melynek zárásakor a feltöltõdési fázis befejezõdik. A szivattyú által szállítandó tüzelõanyag mennyiséget a motor vezérlõegysége az elosztócsõ nyomásváltozása alapján szabályozza.

A közös nyomásterû befecskendezésû rendszerek elsõsorban a közvetlen befecskendezésû dízelmotorokhoz készülnek, ahol szükséges az ún. pilot-befecskendezés biztosítása. Ez igen gyors befecskendezõ szelepeket követel meg. A befecskendezett mennyiség és a befecskendezés idõpontjának szabályozása mellett a motorvezérlõ egység számos egyéb folyamatot is irányít, illetve szabályoz.

A ma használatos közös nyomásterû rendszerek teljes mértékben kielégítik a jelenleg érvényes környezetvédelmi elõírásokat és a szükséges kibocsátott károsanyag-határértékeket. A közös nyomásterû rendszerek fejlesztése terén a növekvõ maximális nyomás (~2000–2500 bar) elérését a nagynyomású szabályozott radiális dugattyús szivattyúk biztosítják. A piezoelektromos befecskendezõ szelepek alkalmazásával gyorsabb mûködésûek a rendszerek, hiszen e szelepek kapcsolási ideje 1/5-e az elektromágneses szelepekének. A gyors mûködés szükséges ahhoz, hogy lehetõség nyíljon többszörös befecskendezésû rendszerek alkalmazására, ami a pontosabb elõ-, utó- és fõadagok befecskendezését biztosítja.