A belsőégésû motor kedvező hatásfokának biztosításához a befecskendező rendszernek több követelménynek együttesen kell eleget tenni:

• a motor mindenkori üzemállapotának megfelelő gázolaj mennyiség befecskendezése az égéstérbe,
• minden üzemállapot esetén megfelelő időben történjen a befecskendezés, azaz optimális előbefecskendezési szög beállításnál kezdődjön a befecskendezés,
• az optimális égéshez a szükséges befecskendezési nyomás biztosítása,
• biztosítani kell a befecskendezés legkedvezőbb időbeli lefolyását.

A gyakorlatban alkalmazott mezőgazdasági erőgépekbe- és munkagépekbe szerelt dízelmotorok általános mûködési elve meghatározza a motorba juttatott tüzelőanyag minőségi szabályozását. Ez a hengertérbe juttatott állandó mennyiségû levegőhöz képest változó mennyiségû tüzelőanyag befecskendezését jelenti, miáltal lehet a motor teljesítményét változtatni, illetve szabályozni. A motor légfelesleg tényezője tág határok között változtatható. Motor terhelésének változtatásával a légviszony is változik, ami hatást gyakorol a motor hatásfokára. Ebből 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 belsőégésû 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 követően a befecskendezési adag mennyiségét csökkenteni kell. A másik kritikus fordulatszám az alapjárati fordulatszám, amikor a befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét szabályozni kell. A mezőgazdaságban használt erőgépek teljes üzemi tartományában szabályozni kell a befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét. Az összfordulatszám szabályzóval ellátott befecskendező szivattyúknál az adagoló állítókarjának helyzete egy fordulatszámot határoz meg, így ezzel a beállítással a fordulatszámot un. előválasztással határozzuk meg. A fordulatszám szabályzó az alapjárati és a maximális fordulatszám közötti teljes tartományban szabályoz.

Az egy ciklusban befecskendezendő tüzelőanyag mennyiségét több tényező is befolyásolja. Így a gázkar állása, azaz a motor fordulatszáma, a beszívott levegő nyomása, a tüzelőanyag hőmérséklete és a motor hûtőközegének hőmérséklete. Ezek alapján a motor maximális adagnagyságát minden üzemállapotban befolyásolják a káros anyag kibocsátás – előírásokban meghatározott – határértékei, a motor megengedett legnagyobb fordulatszáma, a hengertérben levő gáznyomás és a hőmérséklet határok. A motor alkatrészeinek mechanikai és hőigénybevétele is korlátot szab a legnagyobb befecskendezhető adagmennyiséggel szemben. Az égéstérben lezajló égésfolyamat során keletkező gyors nyomásnövekedés és a magas égési nyomások a forgattyús hajtómû számára jelentenek nagyfokú mechanikai igénybevételt, míg a kipufogógáz hőmérsékletének korlátozása a motor és kipufogó rendszer alkatrészeinek védelme miatt szükséges.

Elektronikus vezérlésû hajtóanyag-ellátó rendszerek jellemzői

A motor mûködéséből fakadó feladatok ellátására a hagyományos mechanikus elemek korlátozott mûködésre képesek, így a hozzájuk kapcsolt elektronikus szabályozás lehetővé 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 vezető utat a dízeladagolással szemben a mennyiségileg és minőségileg folyamatosan növekvő igények kielégítése jellemezte. Az összeépített mûszaki megoldások hagyományos elemekből kerültek kiépítésre, azaz a mechanizmusokban hidraulikus, pneumatikus, elektromágneses úton mûködtetett beavatkozók segítették megvalósítani az illesztési feladatokat.

Az elektronikus dízel szabályozási rendszerektől elvárjuk, hogy finom szabályzású, minél több befolyásoló szabályozó paramétert figyelembe vevő, nagy tûrőképességû elemekkel mûködjenek hosszú élettartammal.

Az elektronikus dízel szabályozási rendszerek három fő részre oszthatók:

• jeladók, érzékelők: mérik a mûködést befolyásoló tényezőket, melyeket felhasználva történik az adatfeldolgozás, az egyes fizikai mennyiségeket villamos jellé alakító érzékelők feladatuk alapján többféle elven mûködhetnek (pl. változó, illetve változtatható ellenállások, indukciós jeladók, fordulatszám érzékelők, nyomásérzékelők stb.);
• vezérlő egység: az az elektronikus berendezés, mely a teljes rendszer irányítását végzi, tárolt programja biztosítja a motor aktuális üzemi állapota alapján az előállított kimenő jeleket, ezek mûködtetik a különféle beavatkozókat;
• beavatkozó elemek: segítségével mûködtethetők a befecskendező egységeket az irányító egység jelei alapján, feladatuk a mennyiségszabályozás, az elő-befecskendezés állítás, a kipufogógáz visszavezetés, izzítórendszer mûködtetése.

A dízelmotorok minőségi szabályzásúak, mivel a motor kimenő jellemzőit a tüzelőanyag adagmennyiségével lehet szabályozni. Ez az adagmennyiség meghatározza a légfelesleg tényezőt, valamint a keverési arányt.

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

• befecskendezett tüzelőanyag-mennyiség (dózis),
• előbefecskendezési szög, illetve a befecskendezés kezdete,
• levegő töltőnyomás (turbófeltöltős motoroknál),
• a kipufogógáz-visszavezetés mértéke.

Az elektronikus szabályzású dízelmotorok olyan eszközzel egészülnek ki, mellyel elősegíthető 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 alapvetően két tényező befolyásolhatja: az elektronikus szabályzású rendszereknél az, hogy az adagmennyiség szabályozása a befecskendező szivattyú oldaláról történik-e a vezérlőél segítségével („élvezérlés”), vagy pedig mágnesszelepek mûködtetésének időtartama befolyásolja azt („idővezérlés”).

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

A soros befecskendező szivattyúk elektronikus úton történő irányításának lehetőségét 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 húzóerő a rugóerő ellenében mozdítja el a fogaslécet a töltés növelésének irányába. Minden fogasléc helyzethez tartozik egy töltési pozíció is, melyet a mágneses húzóerő és a rugóerő egyensúlyi helyzete határoz meg. A fogasléc helyzet pontos érzékelése szükséges a központi vezérlőegység irányába, mivel ezáltal szabályozható a töltés a terhelés függvényében.

Az előbefecskendezés állító szerkezete lehet a hagyományos röpsúlyos kialakítású mechanikus szerkezet vagy az elektronikus szabályzást egyszerûbbé tevő 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 vezérlőél pozíciójától függ. A tolóka mozgatása kis erőt igényel, így ezt elektromágnessel lehet irányítani, melyet a központi vezérlőegység szabályoz. A szállítás kezdetét minden egyes motorüzemállapotnak megfelelően központi vezérlőegység szabályozza, a tényleges pozíciót a motor szöghelyzetérzékelőjének helyzete is befolyásolja. A szükséges és tényleges pozíció közötti eltérés alapján mûködtetjük a tolókát mozgató elektromágnest.

Forgóelosztós adagolók elektronikus szabályzása

Az elektronikus szabályzású befecskendező 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 erőtér húzóereje a rugóerő ellenében dolgozik. Az elektromágnest itt is központi vezérlőegység mûködteti, amely a kitöltési tényezőt változtatja meg. Az állítómûhöz csatlakozik egy elmozdulás érzékelő, mely a valóságos elfordulás nagyságát méri és jelzi a központi vezérlőegységnek.

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

Adagolóporlasztók

A ma használatos adagolóporlasztók jellemzője az elérhető nagy befecskendezési nyomás, melyhez kis fúvókaátmérő tartozik, ezzel nagyon jó a porlasztás minősége. A jó minőségû porlasztás jobb égési folyamatot biztosít, ami kedvező fajlagos hajtóanyag-felhasználást és kisebb mértékû károsanyag-kibocsátást biztosít.

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

Mûködési elve a következő:

• feltöltődés fázisa: a dugattyú a külső holtpont felé mozog, ugyanakkor gázolaj áramlik a nyitott vezérlőszelepen át a nyomótérbe,
• előlöket fázis: a lefelé mozgó dugattyú kiszorítja a tüzelőanyagot a nyitott szelepen keresztül, nyomásnövekedés ekkor még nincsen,
• befecskendezés fázisa: a szükséges előbefecskendezési helyzet elérésekor a központi vezérlő egység zárja a szelepet, a nyomás nő, és nyit a befecskendező fúvóka, a befecskendezett mennyiséget a vezérlőszelep zárva tartási időtartama szabja meg, mivel a szelep nyitásakor a nyomás lecsökken és a befecskendező fúvóka zár,
• maradék löket fázisa: a dugattyú a befecskendezés befejezése után tovább mozog a belső holtpont felé, de ekkor már nincs befecskendezés.

Az adagolóporlasztók másik használatos megoldása, amikor a nagynyomású befecskendező szivattyút és porlasztót külön egységként használja. Ezeket egymással nagynyomású nyomócső köti össze. Alkalmazásának előnye, hogy nem szükséges a hengerfej konstrukciójának megváltoztatása, a mûködtetés közvetlenül a vezérmûtengelyről 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 elő, ami érzéketlenebb a befecskendezést befolyásoló tényezőkre (pl. motorfordulatszám). Mûködésének elve, hogy a befecskendező dugattyú egy lépcsős kialakítású nyomásnövelő dugattyú melynek nagy keresztmetszetû oldalára hat a mûködtető hidraulika olajnyomása. A tüzelőanyag golyós visszacsapó szelepen keresztül jut az adagolóporlasztó belső terébe, közben feltölti a nyomásfokozó szivattyú hengerterét, illetve a porlasztó csatornáit is.

Közös nyomásterû befecskendező rendszerek

Az eddig leírt befecskendező rendszerektől mûködésében és felépítésében is eltérnek a közös nyomásterû befecskendező rendszerek. A tüzelőanyag tartályból előtápszivattyú juttatja a tüzelőanyagot a fő szûrőn keresztül a nagynyomású szivattyú egységbe. Ez ~1500–1800 bar nyomással szállítja a tüzelőanyagot az elosztócsőbe. A motor aktuális üzemállapotának megfelelő nyomásértékét a központi elektronika szabályozza, míg az elosztócsőben levő pillanatnyi nyomásértéket egy piezoelektromos érzékelővel méri.

A befecskendezés az elektromágnessel mûködtetett befecskendező szelep nyitásakor kezdődik és a szelep zárásáig tart. Ebből is látható e rendszer előnye, a befecskendezés kezdeti értéke széles tartományban változtatható, a befecskendezés időbeli lefolyása az adagmennyiségek és a befecskendezés időtartamának pontos kialakítása lehetséges, sőt az utóadagok befecskendezésére is van lehetőség. A befecskendezési nyomás szabadon választható, alacsony fordulatszámon és kis terhelés mellett is, a befecskendező fúvókákon a teljes elosztócső nyomása jelenik meg, nem csak a nyitónyomás. A befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét a nyomás és a befecskendező szelep nyitvatartási ideje együttesen határozza meg.

A közös nyomásterû rendszerekben alkalmazott nagynyomású szivattyúk feladata az elosztócsőben szükséges nyomás előállítása. 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 tüzelőanyag szállítása az elosztócső felé. A kifelé mozgó dugattyúk között a tér növekszik, ide az előtápszivattyú nyomja a tüzelőanyagot. A szállítandó tüzelőanyag-mennyiség biztosítása érdekében a motor vezérlőegysége mûködteti a szelepet, melynek zárásakor a feltöltődési fázis befejeződik. A szivattyú által szállítandó tüzelőanyag mennyiséget a motor vezérlőegysége az elosztócső nyomásváltozása alapján szabályozza.

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

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

A cikk szerzője: Kassai Zsolt