Munkagép Monitor

A dízelmotor belső égésű motor, amelynek működési elvét a német Rudolf Diesel szabadalmaztatta 1893. február 23-án. (101-es ábra)

A német Rudolf Diesel 1. motorja (101-es ábra)

Alapkoncepciója

A dízelmotor szerkezetében hasonlít a nála ismertebb mechanizmusú benzinmotor (Otto-motor) felépítéséhez, hiszen alapvetően mindkettő henger(ek)ből, dugattyú(k)ból, főtengelyből, kiegyenlítő-tömeg(ek)ből, vezérműből, szelepekből stb. épül fel, s mindkettő a négy ütem – szívás, sűrítés, terjeszkedés és kipufogás – szerint dolgozik, de működése és az azt kiszolgáló berendezések jelentősen eltérnek.

A fő különbség, hogy a dízelnél a tüzelőanyag (leginkább gázolaj) gyújtószikra segítsége nélkül, a legalább hússzoros kompresszió (légsűrítés) miatti felmelegedés hatására öngyulladással ég el és végez munkát a hengerben. Az Otto motorok benzin+levegő keveréket kapnak a karburátorból, viszont a dízelmotor hengere csak levegőt szív be, azt sűríti, az adagoló az égéstérben felhevült levegőbe fecskendezi az üzemanyagot.

Működési elve (102-es ábra)          Keress és LIKE-olj minket a Facebookon, Köszönjük.

1. Szívás – tiszta levegő beszívása
2. Sűrítés – levegő sűrítése, amitől az felhevül
3. Robbanás – a sűrített, felhevült levegő a befecskendezett üzemanyagot berobbantja
4. Kipufogás – az égéstermék távozása

A dízel motor négy üteme (102-es ábra)

A dízelmotor tiszta levegőt szív be és azt sűríti össze. A nagy nyomás miatt a levegő felmelegszik. Ebbe a forró levegőbe az adagolószivattyú (103-as ábra) dízelolajat fecskendez be, amely magas hőmérsékleten külön gyújtóberendezés (gyertya) nélkül meggyullad, elég. A dízelmotorokat gyakran alkalmazzák személygépkocsik, teherautók, autóbuszok, hajók, mozdonyok hajtására, de tengeralattjárók, és repülőgépek számára is készültek dízelmotorok.

Mechanikus adagoló (103/a ábra)

Elektromos vezérlésű adagoló (103/b ábra)

Deuzt-Fahr rendszerü hengerenkénti adagoló (103/c ábra)

Keverékképzése az úgynevezett minőségszabályozás elvén működik, azaz a beszívott levegő mennyisége azonos, csak a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége változik. Ezzel szabályozható a fordulatszám. Ellentétben a benzinmotorral, amely az úgynevezett mennyiségszabályozás elvén működik, azaz ott viszonylag állandó arányú a hengertérbe kerülő benzin-levegő keveréke.

Fejlődése

Az első kísérleti motorok növényi olajjal üzemeltek; később vetődött fel a petróleum és foltbenzin gyártás hulladékaként keletkező „dízelolaj” használatának lehetősége. Nehézkessége és nagy mérete miatt lassan nyert teret alkalmazása, kezdetben csak stabil motorként használták, generátorok meghajtására. Jonas Hasselman svéd mérnök 1904-ben feltalálta az irányváltós motort, ami hajómotorként történő alkalmazását is lehetővé tette. Később vasúti vontatóknál is elterjedt a dízelmotor. 1924-től csatlakozott a Ganz dízelprogramjához Jendrassik György is. 1927 és 1947 között Ganz-Jendrassik (104-es ábra) néven kerültek forgalomba ezek az erőgépek. 1947-ben Jendrassik elhagyta az országot.

Ganz-Jendrassik dízel motor (104-es ábra)

A második világháborúban a T–34 harckocsik dízelmotorja jelentősen nagyobb hatótávolságot tett lehetővé, mint a vetélytársak benzinmotorja, jelentősen kisebb tűzveszély mellett. Közúti forgalomban csak a 20. század második felétől jelentek meg, először a teherfuvarozásban, majd a személygépkocsikban is.

Részarányuk elhanyagolható volt elsősorban a viszonylag alacsony lökettérfogat/teljesítmény arányuk, valamint kényelmetlen üzemeltethetőségük miatt. Ez az 1990-es évek közepére változott meg a common rail (105-ös ábra) (közös nyomócsöves) technológia bevezetésével és elterjedésével. Ezzel a dízelmotorok a benzinmotorok egyenrangú társává, sőt vetélytársává váltak. Napjainkban már, főleg Nyugat-Európában, a dízelmotorral szerelt autók eladásai meghaladják a benzinmotorral szerelt járművekét. A common rail motorokat a FIAT fejlesztette ki (JTD), majd a Bosch megvásárolta a licencet 1997-ben. 1998-ban a Mercedes-Benz a Bosch által továbbfejlesztett közvetlen befecskendezéses rendszert tette a dízelmotorjaira (CDI).

BOSCH common rail befecskendezés (közös nyomócsöves)(105-ös ábra)

A dízelmotorok azért tudtak főképp a teherszállításban előretörni, mert a benzinmotorokhoz képest alacsonyabb a fajlagos fogyasztásuk. Ez a szerkezeti sajátosságokból adódik: a nagyobb (kb. 1:20) kompresszió jobb termodinamikai hatásfokot tesz lehetővé, azonos lökettérfogatú benzin- és dízelmotorok közül a dízel – jobb hatásfoka és az üzemanyag magasabb hőértéke miatt – kevesebbet fogyaszt.

Működési sajátosságai

A dízelmotor a benzinessel ellentétben jelentős mennyiségű kormot és nitrogén-oxidot bocsát ki. Ennek megértéséhez fontos tudni a lényegi különbséget az levegő-üzemanyag keverékképzés folyamatában. A hagyományos Otto-motornál a keverékképzés az égéstéren kívül történik és ezáltal, elegendő idő áll rendelkezésre az üzemanyag elpárolgására és elkeveredésére. A dízelmotornál a befecskendezés röviddel a FHP (felső holtpont) előtt történik és a magas hőmérséklet hatására a befecskendezett üzemanyagsugár külső felülete szinte azonnal égni kezd. Az égés előre haladtával meggyullad az üzemanyagsugár belseje is. (106-os ábra) A belső rész égéséhez viszont nincs már elég oxigén, mivel az a külső burok égésekor elhasználódott. A magas koromkibocsátás erre a lokálisan dús égésre vezethető vissza. A magas nitrogén-oxid kibocsátást főleg a lokálisan magas hőmérséklet okozza, amelynek hatására a levegőben található nitrogén és oxigén egymással reagálva nitrogén-monoxidot (NO) hoz létre amely később részben nitrogén-dioxiddá (NO2) oxidálódik. Az ezen az úton képződött NO-t termikus NO-nak hívjuk és a folyamatot a Zeldovich-képlet írja le. A termikus NO teszi ki a NO kibocsátás 90-95%-t. A termikus NO-n kívül még a prompt NO-t érdemes megemlíteni.

Dízel befecskendezés, a felső holtpont előtt (106-os ábra)

A kibocsátások csökkentésére – akárcsak az Otto-motor esetében – több stratégia is kínálkozik.

Az első, költségtakarékosabb lehetőség a káros anyagok belsőmotorikus csökkentése, melynek során pl. magasabb befecskendezési nyomással, nagyobb arányú és hűtött EGR-rel (107-108-as ábra) (exhaust gas recirculation) (kipufogógáz-visszavezetés), magasabb töltőnyomással (turbo nyomással), nagyobb töltőlevegő-hűtővel (Intercooler)(109-es ábra), optimálisabb égéstér-geometriával, belső örvényléssel (drall), alacsonyabb sűrítési viszonnyal mérséklik a káros anyagok keletkezését. Ennek két fő hátránya van: az egyik, hogy a hamarosan érvénybe lépő euro 5-ös és euro 6-os határértékeket sok esetben nem lehet velük elérni, a másik, hogy ezek a lépések részben a fogyasztás rovására mennek, még ha teljesítménynövekedés is a velejárója.

EGR (107, 108-as ábra) (exhaust gas recirculation) kipufogógáz-visszavezetés

töltőlevegő-hűtő (Intercooler) (109-es ábra) 

A második lehetőség a káros anyag kibocsátás motoron kívüli csökkentése, kezelése. Elsőként említendő a két utas oxidációs katalizátor, ami a CO es HC kibocsátás csökkentésére szolgál. A következő lényeges eleme a dízelmotorok károsanyag-kezelő rendszerének a részecskeszűrő (DPF – Diesel Particulate Filter)(110-es ábra), mely a kipufogógázban található részecskéket – főleg kormot – szűrik ki. A dízel károsanyag-kezelés utolsó fontos eleme a NO_x kibocsátás csökkentése. Ez történhet SCR katalizátorral vagy NO_x tároló katalizátor segítségével, mely megköti szegénykeverékes üzemben a kipufogógáz NO_x-t és dús üzemállapotban redukálja N és CO₂-vé. Nagyméretű motoroknál alkalmazott megoldás a többfuratú befecskendező fúvóka alkalmazása, a nagy mennyiségű tüzelőanyag több sugárban, ezért nagyobb felületen érintkezik a levegővel, az égés folyamán az oxigénellátás egyenletesebb. A több fúvókán kiáramló üzemanyag örvénylést is kelt a kompresszió térben, tovább javítva a keveredést.

Kipufogógáz részecskeszűrő (DPF – Diesel Particulate Filter)(110-es ábra)

Erre csak a2000-es évek elejére találtak megfelelő megoldásokat: ezek közül az egyik a szelektív katalitikus után kezelés (SCR), a másik a koromszűrő.

Az SCR-technológia(111-es ábra) során a kipufogógázt egy katalizátorba vezetik, ahol egy különleges folyadékot (AdBlue) adnak hozzá. Ezáltal a motor beállításai lehetnek olyanok, hogy ne kormoljon, mert a nagyobb mennyiségben kibocsátott egyéb káros anyagok a katalizátorban átalakulnak. A korommentes égés ugyanis erősen megnöveli a kipufogógáz nitrogén-oxid tartalmát, aminek a szintjét szintén lejjebb kellene szorítani. A koromszűrő lényegesen egyszerűbb: egy hosszú fémhengerből áll, a belsejében vékony, kacskaringós járatokkal, melyekben megmarad a korom. Ennek főképp a kiégetése jelent gondot, hiszen egy idő után eltömődik. Erre az autógyártók különböző módszereket dolgoztak ki. Hosszan tartó, közel állandó közepes vagy magas fordulatszám esetén (például autópályán történő haladáskor) felmelegedne annyira a kipufogó, hogy a korom magától kiégjen, de ha erre nincs lehetőség, a motorvezérlés mesterségesen hevíti túl a motort. Ilyenkor az összes elektromos fogyasztót bekapcsolja és a befecskendezést az optimálistól eltérően időzíti, hogy a kipufogógázok hőmérséklete minél nagyobb legyen. A nagy hőhatástól aztán a korom eltávozik a szűrőből és az újra el tudja látni feladatát.

(AdBlue)SCR-technológia (111-es ábra)

A motor felépítése is más, mert azt kell elviselnie, amitől a benzinmotor csapágyai, dugattyúi és hengerfejtömítései kiolvadnának, illetve szétégnek: az öngyulladásos égést. Ezért aztán a csapágyak más anyagból készülnek, a hengerfejtömítés erősebb (kamionokon még így is gyakran ez a motor gyenge pontja), a főtengely anyaga, szerkezete és edzése is a lökésszerű terheléshez van méretezve – bár egy jól beállított dízelmotor nem fejt ki nagy lökést gyulladáskor. Ezt az úgynevezett előtöltés, vagy gyulladási késedelem helyes beállításával lehet elérni. A gyulladási késedelem a tüzelőanyag befecskendezése és az égés kezdete közötti idő. Optimális esetben ez az érték nagyon kicsi, az égés hamar indul meg és fokozatosan zajlik le. Ha a gyulladási késedelem megnő (túl korán fecskendez be az adagoló, illetve a sűrítés a kopás miatt csökken), akkor az égés később indul meg, ám jóval hevesebb, így nagyobb terhelést jelent a forgattyús mechanizmusnak. Az alacsonyabb üzemi fordulatszám néhány egyéb alkatrész módosítását is kikényszeríti: a víz- és olajszivattyúk áttételezése, szerkezete más, hogy alacsonyabb főtengelyfordulat esetén is ugyanúgy el tudják látni kenő- illetve hűtőanyaggal a motort, mint a benzinmotorok esetében.

A legnagyobb különbség azonban a hengerfejekben mutatkozik: míg a benzinmotoroknál az égéstér kialakítása viszonylag egyszerű, a dízelmotor égéstere bonyolultabb formájú. Ebben a tekintetben a közvetlen befecskendezéses dízel áll a legközelebb a benzinmotorhoz, a leglényegesebb eltérés az, hogy az égéstérbe a szelepek mellett két egyéb alkatrész kerül:

Az izzító gyertya, (112-es ábra)

amely indítás előtt melegíti az égésteret, hogy a befecskendezett gázolaj az izzító gyertyával egyáltalán nem érintkezve (a különben alacsony sűrítési véghőmérséklet ellenére is) meggyulladjon. Azért nem érintkezhet a gázolaj a gyertyával, mert az jóval túlhaladja a gázolaj öngyulladását, így a robbanás előbb következne be, mint ahogy kéne. Általános tévhit, hogy az izzító gyertya minden indulásnál, és minden hőmérsékleten izzít. A legtöbb autóban (még a 20 évesekben is), ha a hűtőfolyadék hője eléri a 15 Celsius-fokot, akkor nem következik be az izzítás. Az „izzítás-jel” a műszerfalon egy kontroll lámpa, ha indítás előtt nem villan fel, akkor gond van az izzító gyertyákkal. Bizonyos alkalmazásokban (pl. targoncák, rakodógépek, hajók, vonatok, teherautók) nem alkalmaznak izzító gyertyát. Ez azért lehetséges, mert az égéstér osztatlan (MAN, Sauer, MAN-HM, Hesselman stb.), így az manyag több része közvetlenül a felforrósodott levegőhöz ér. Beindítása, főleg hideg időben nehézkes, régen a teherautók alá tüzet raktak. Ma már csak olyan helyeken alkalmazzák, ahol ritkán állítják le őket,pl. gynevezett "álló" motorként és hajókban. Ahol nem szerelnek be izzító gyertyát, ott is lehet torok előmelegítő.      Amit alkalmazhatnak elektromosan, mint egy hajszárító izzószála, és szíváskor felmelegíti a levegőt, vagy üzemanyag elégetéssel a szívó torokban.

Izzító gyertya, (112-es ábra)

A porlasztó,(113-as ábra)

amely az üzemanyagot befecskendezi. A porlasztó lehet mechanikus vagy elektromos vezérlésű, de mindegyikben elhelyezkedik egy porlasztócsúcs, ami részben belóg az égéstérbe, és ezen a részen keresztül jut be különböző szórásképpel a porlasztott gázolaj. A mechanikus vezérlés annyit tesz, hogy az előre beállított hengerenként egyforma rugónyomás ellenében a magasnyomású gázolaj megemeli a porlasztócsúcs tű részét, és megtörténik a befecskendezés. Az elektromos vezérlésűnél, egy számítógép előre kikalkulált időpontban nyitja a porlasztócsúcsot, utat engedve a nagynyomású gázolajnak. Mechanikus porlasztó nyitása 200-1600 Bar között történik, elektronos porlasztónál ez 2500 Bar is lehet. A régebbi rendszerű örvény- és előkamrás dízelmotoroknál az égéstér osztott volt: az egyik térrészbe szívta be a motor a levegőt és a kipufogás is innen történt, a másik térrészben pedig a porlasztó helyezkedett el. Ez a két rész össze volt kapcsolva, de úgy, hogy a beáramló levegő minél hevesebb örvénylésbe kezdjen, ezáltal a befecskendező kamrájába került gázolaj a lehető legjobban elkeveredjen a levegővel.

Porlasztók (113-as ábra) 

Égéstér kialakítások:

• Előkamrás
• Légkamrás*
• Örvénykamrás
• Dugattyúban elhelyezett örvénykamrás
• MAN
• Hesselman

Az üzemanyag ellátásban fontos szerepet játszik az üzemanyag szűrő sok esetben 2-3 menetben történik a szűrés, különböző micron számú szűrőkkel, vízjelzővel, vízleválasztóval. Hidegebb munkaterületeken alkalmazhatnak az izzító gyertya mellett gázolaj előmelegítőt, vagy olyan szűrőházat, amiben előmelegítőt helyeznek el. Üzem meleg motornál erre már szükség nincs, mert a tankba visszajutó résolaj melegebb, mint a tankban lévő gázolaj, és így lassan átfordulva felmelegszik.

EGR (exhaust gas recirculation) (kipufogógáz-visszavezetés) A kipufogó rendszer úgy van kialakítva hogy a távozó forró gázok egy része egy visszajut a szívótorokba, visszahűtve. egyszerűbb, és kevésbé hatékonyabb megoldása, ha a kipufogó szelep tovább marad nyitva, és az összenyitás hosszabb ideig tart. Az az, amikor a szívó szelep nyit, és a dugattyú lefele mozog még a kipufogó szelep is nyitva van, és egy rövid ideig onnan is levegőt, használt levegő szív a motor.

Turbó (114-es ábra)(levető töltő)A motoroknála beszívott levegő megegyezik a hengerűrtartalommal, egy állandó, nem változtatható érték, és határt szab a teljesítménynövekedésnek. A turbó viszont többlet levegőt juttat a hengerekbe egy turbina segítségével, amit a kipufogó gáz hajt. Mivel a kipufogó gáz nagyobb terhelésnél és nagyobb fordulatnál jelentősebb, mint alacsonyabb szinten így a légnyomás is változik. Ennek a szabályzására szükség van, ez lehet lefújó szeleppel, ami a magas nyomású tiszta levegő nyomását szabályozza, de a kipufogógáz nyomása, itt károsan hat a fordulatszámra. Vagy történhet (westegat) megkerülő szeleppel, ahol a tisztalevegő nyomása maximalizálva van, és ennek elérésekor a kipufogó gáz egy része egy szabályozott résen távozik. amint e tiszta levegő nyomása alacsonyabb a szelep újra zár, és a kipufogó gáz újra 100%-ban a turbón keresztül távozik.

Turbó(114-es ábra)

Intercooler (töltőlevegő-hűtő) A turbó üzem melegen, 1000C° is lehet így a beszívott levegő felforrósodik, megtágul. Ritkább lesz, agy kevesebb lesz benne az oxigén, így kevésbé hatékony az égés. Ennek a ritka levegőnek a visszahűtésére szolgál a levegő visszahűtő, aminek a beépítése az alábbi sorrendbe történik. Levegőszűrő - turbó – intercooler – szívótorok.

Videók: