Az utolsó dízelmotor
A gázolajjal hajtott belső égésű motorok rengeteg találmányt és szabadalmat adtak a világnak fejlődésük során, és ezekkel méltó vetélytársaivá váltak benzines társaiknak.
Kezdetben nem volt kiegyenlített a küzdelem, ugyanis a gázolaj alapvetően egy kevésbé alkalmas hajtóanyag a járművek mozgatására, mégis sikerült olyan rendszert építeni köré, melynek segítségével bizonyos közúti alkalmazásokban már nélkülözhetetlenné vált az erőforrás – és ez még a majd napig helytálló.
Ebben a cikkben azt a keverékképzési rendszert mutatjuk be, amely mindmáig az utolsó és legkorszerűbb megoldás a dízelmotorok számára.
Definíció
A közös nyomócsöves (azaz Common Rail) közvetlen üzemanyag-befecskendező rendszer egy nagynyomású (több mint 2000 bar) üzemanyag-elosztó ellátó mágnesszelepek köré épülő rendszer, szemben az alacsony nyomású üzemanyag-szivattyú adagoló egység befecskendezőivel.
A nagynyomású befecskendezés teljesítmény- és üzemanyag-fogyasztási előnyöket biztosít a korábbi, alacsonyabb nyomású üzemanyag-befecskendezéshez képest, mivel az üzemanyagot nagyobb számú kisebb csepp formájában fecskendezi be, így sokkal nagyobb a felület/térfogat arány. Ez jobb elpárologtatást biztosít az üzemanyagcseppek felületéről, és így a légköri oxigén és az elpárologtatott üzemanyag hatékonyabb kombinálását, ami teljesebb égést biztosít.
A közös nyomócsöves befecskendezést széles körben használják dízelmotorokban. Ez az alapja a benzinmotoroknál használt közvetlen benzinbefecskendező rendszereknek is.
Története
Vickers úttörő szerepet játszott a közös nyomócsöves befecskendezés alkalmazásában a tengeralattjáró-motorokban. A közös nyomócsöves üzemanyagrendszerű Vickers motorokat először 1916-ban használták a G-osztályú tengeralattjárókban.
A közös nyomócsöves motorokat egy ideje használják tengeri és mozdonyos alkalmazásokban. A Cooper-Bessemer GN-8 (1942 körül) egy példa a hidraulikus működtetésű közös nyomócsöves dízelmotorra, amelyet módosított közös nyomócsövesnek is neveznek.
Az autómotorok közös nyomócsöves rendszerének prototípusát az 1960-as évek végén a svájci Robert Huber fejlesztette ki, a technológiát pedig Dr. Marco Ganser fejlesztette tovább a zürichi Svájci Szövetségi Technológiai Intézetben, később a Ganser-Hydromag AG-tól (1995) Oberägeriben.
Az első közúti járművekben használt közös nyomócsöves dízelmotor a keletnémet VEB IFA Motorenwerke Nordhausen MN 106-os motorja volt. 1985-ben egyetlen IFA W50-be építették be. A finanszírozás hiánya miatt a fejlesztést leállították, és a tömeggyártást soha nem sikerült elérni.
Az 1990-es évek közepén Japánban kezdték el először sikeresen használni tömeggyártású járművekben. Dr. Shohei Itoh és Masahiko Miyaki, a Denso Corporation, egy japán autóalkatrész-gyártó munkatársa kifejlesztették a közös nyomócsöves tüzelőanyag-rendszert a nehézgépjárművek számára, és a Hino Ranger teherautóra szerelt ECD-U2 közös nyomócsöves rendszerüket a gyakorlatban is bemutatták. A Denso 1995-ben állt elő az első kereskedelmi nagynyomású közös nyomócsöves rendszerrel.
A modern Common Rail rendszereket, bár ugyanazon az elven működnek, egy motorvezérlő egység irányítja, amely az egyes befecskendezőket nem mechanikusan, hanem elektromosan nyitja meg. Az 1990-es években a Magneti Marelli, a Centro Ricerche Fiat és az Elasis együttműködésével alaposan megalkották a prototípust.
A Fiat-csoport kutatás-fejlesztése után a tervezést a német Robert Bosch GmbH megvásárolta, hogy befejezze a fejlesztést és a tömeggyártásra való finomítást. Utólag az eladás stratégiai hibának tűnt a Fiat számára, mivel az új technológia rendkívül jövedelmezőnek bizonyult. A cégnek nem volt más választása, mint eladni egy licencet a Boschnak, mivel akkoriban rossz anyagi helyzetben volt, és nem volt elegendő forrása a fejlesztés önálló befejezéséhez.
1997-ben kiterjesztették a személygépkocsikra is: az első közös nyomócsöves rendszert használó személygépkocsi az 1997-es Alfa Romeo 156 volt 2,4 literes JTD motorral, majd ugyanebben az évben a Mercedes-Benz is bevezette a W202-es modelljével.
Működési elv
A mágnesszelepek vagy piezoelektromos szelepek lehetővé teszik az üzemanyag-befecskendezési idő és mennyiség finom elektronikus szabályozását, a közös nyomócsöves technológia által elérhető magasabb nyomás pedig jobb üzemanyag-porlasztást tesz lehetővé.
A motor zajának csökkentése érdekében a motor elektronikus vezérlőegysége akár többször, kis mennyiségű gázolajat fecskendezhet be közvetlenül a fő befecskendezés előtt – és után (“pilot” befecskendezés) –, így csökkenti a robbanékonyságát és vibrációját, valamint optimalizálja a befecskendezés időzítését és mennyiségét az üzemanyag minőségének változásaihoz, segít alkalmazkodni a szélsőséges üzemállapotokhoz, mint például a hidegindítás. Egyes fejlett közös nyomócsöves üzemanyagrendszerek löketenként akár öt befecskendezést is végrehajtanak.
A közös nyomócsöves motorok a környezeti hőmérséklettől függően nagyon felfűtési időt igényelnek, és alacsonyabb motorzajt és károsanyag-kibocsátást eredményeznek, mint a régebbi rendszerek.
A dízelmotorok a történelem során az üzemanyag-befecskendezés különféle formáit használták. Két elterjedt típus az egységbefecskendező rendszer és az elosztó/soros szivattyúrendszer.
A tipikus elosztó/inline rendszer esetében a befecskendezés egy előre meghatározott nyomáson kezdődik, és egy előre meghatározott nyomáson ér véget. Ez a jellemző a hengerfejben lévő “néma” befecskendezőkből adódik, amelyek az injektorban lévő dugattyúra alkalmazott rugó előfeszítése által meghatározott nyomáson nyitnak és zárnak. Amint a nyomás az injektorban elér egy előre meghatározott szintet, a dugattyú felemelkedik és megkezdődik a befecskendezés.
A közös nyomócsöves rendszerekben egy nagynyomású szivattyú egy tartályban tárolja az üzemanyagot nagy nyomáson – akár 2000 bar feletti nyomáson. A “common rail” kifejezés arra utal, hogy az összes üzemanyag-befecskendezőt egy közös üzemanyag-elosztócső táplálja, amely nem más, mint egy nyomástároló, ahol az üzemanyagot nagy nyomáson tárolják. Ez az akkumulátor több üzemanyag-befecskendezőt lát el nagynyomású üzemanyaggal.
Ez leegyszerűsíti a nagynyomású szivattyú célját, mivel csak egy célnyomást kell fenntartania (akár mechanikusan, akár elektronikusan vezérelve). Az üzemanyag-befecskendezőket általában a motorvezérlő egység (ECU) vezérli.
Amikor az üzemanyag-befecskendezők elektromosan működnek, egy hidraulikus szelep (amely fúvókából és dugattyúból áll) mechanikusan vagy hidraulikusan nyílik, és a kívánt nyomáson üzemanyagot permeteznek a hengerekbe.
Mivel a tüzelőanyag nyomási energiáját távolról tárolják és a befecskendezőket elektromosan működtetik, a befecskendezési nyomás a befecskendezés kezdetén és végén nagyon közel van az akkumulátorban (azaz a rail csőben) lévő nyomáshoz, így négyzetes befecskendezési sebességet eredményez. Ha az akkumulátor, a szivattyú és a vezeték mérete megfelelő, a befecskendezési nyomás és sebesség ugyanaz lesz a többszörös befecskendezési események mindegyikénél.
A harmadik generációs közös nyomócsöves dízelmotorok immár piezoelektromos befecskendezőkkel vannak felszerelve a nagyobb pontosság érdekében, akár 2500 bar üzemanyagnyomással.
