KEVERÉKKÉPZÉS ÉS ÉGÉS DÍZELMOTOROKBAN

KEVERÉKKÉPZÉS ÉS ÉGÉS DÍZELMOTOROKBAN

1. A folyamat jellemzői

A kompressziógyújtású, vagy más néven dízelmotorok működési folyamatának alapvető jellemzői, hogy a hajtóanyagot egy befecskendező rendszer juttatja a hengertérbe röviddel a kívánt égéskezdet előtt. A folyékony hajtóanyagot rendszerint egy, vagy több sugárban nagy nyomással fecskendezik az égéstérbe. Befecskendezés közben a hajtóanyag apró cseppekre bomlik, miközben párolog és összekeveredik a hengerben lévő magas hőmérsékletű levegővel. Mivel a levegő hőmérséklete a hajtóanyag gyulladási pontja felett van, néhány főtengelyfoknyi késedelem után bekövetkezik a már éghető keveréket alkotó elegy spontán gyulladása. A gyulladás nem egy pontból indul. A hajtóanyag-levegő keverék égése következtében növekszik a hengerben a nyomás. A töltet még nem égő részének további kompressziója csökkenti a már kész keverék gyulladási késedelmét, így az égés felgyorsul. Ez növeli a még folyékony állapotban lévő hajtóanyag párolgási sebességét. Közben a befecskendezés folytatódik mindaddig, amíg a megkívánt hajtóanyag teljes mennyisége be nem jut az égéstérbe. A cseppek osztódása, elpárolgása, a levegő-hajtóanyag keveredése és az égés folytatódik mindaddig, amíg az összes hajtóanyag-részecske el nem ég. Az égési folyamat lefolyása a hajtóanyag tulajdonságaitól, az égéstér és a befecskendező rendszer kialakításától, valamint a motor üzemeltetési körülményeitől függ.

Az égés tehát egy állandóan változó, heterogén, háromdimenziós folyamat. Az égésnek a motorműködésre vonatkozó néhány fontos hatását az alábbiakban lehet össze foglalni.

- Mivel a befecskendezés nem sokkal az égés megindulása előtt kezdődik, ezért nincs kopogási határ. Ennél fogva magasabb kompresszió viszony alkalmazható, ami növeli a hajtóanyag átalakulás hatásfokát.                                                                                                            - Dízelmotoroknál mind a folyamat kezdetét, mind a folyamat egészét illetően szabályozott befecskendezést alkalmazunk. Ezt úgy kell megvalósítani, hogy a befecskendezés kezdete és a gyulladás kezdete közötti gyulladási késedelem nagyon rövid legyen. A rövid késedelmi periódusra viszont azért van szükség, hogy a hengerben kialakuló legnagyobb gáznyomást egy adott érték alatt tarthassuk és a nyomás emelkedés se legyen túlzott mértékű. Ezért a hajtóanyag-levegő keverék spontán gyulladási tulajdonságait egy meghatározott tartományban kell tartani, amit többek között a megfelelő cetánszám biztosít. - A motor által leadott nyomatékot illetve teljesítményt alapvetően a ciklusonként befecskendezett hajtóanyag mennyisége határozza meg, miközben a beszívott levegő mennyisége alapvetően változatlan. A motor szabályozása tehát nem fojtással, hanem a ciklusadag változtatásával történik. A ciklusadag megváltoztatása a keverék minőségét befolyásolja. Ezért a dízelmotorok szivattyúzási munka igénye az Otto motorokénál alacsonyabb, ezzel is növelve a részterhelési hatásfokot. - Ha a ciklusonként befecskendezett hajtóanyag mennyiségét növeljük, az égéstérben rendelkezésre álló levegő mennyisége relatíve csökken. A dózis egy határon túl való növelése következtében égéskor korom kiválás keletkezik, amelyet már nem lehet elégetni a 848f57i kipufogás megkezdése előtt. Ennek a korom, vagy másképpen fekete füst képződésének elkerülésére a motor legnagyobb teljesítményének leadásakor is minimum a =1,15-1,2 légviszonyt kell biztosítani az égéstérben. Ennek hatására dízelmotoroknál a legnagyobb indikált középnyomás alacsonyabb, mint a szikragyújtású motornál.                                                                 - Miután a dízelmotorok mindig szegény keverékkel működnek (a =1,2-2) sőt, részterhelésen keverék nagyon szegény, ezért az expanzió során a jellemző politropikus kitevő értéke nagyobb, mint a szikragyújtású motoroknál. Ez a tény adott expanzió viszony mellett kedvezőbb hatásfokot eredményez.

 A dízelmotorok hengerméretei igen széles határok között nagyon széles tartományban változnak. A hengerfuratok átmérője általában 70-900 mm között változik. A névleges motorteljesítményhez tartozó átlagos dugattyúsebesség azonban, egy viszonylag szűk tartományban, hozzávetőlegesen állandó. A motor fő méreteiből adódik, hogy a motorfordulatszám fordítottan arányos a motor lökettérfogatásal.

2. Diesel égési rendszerek

A dízel égésterek kialakításnál a fő problémát a hengerben lévő levegő és a befecskendezett hajtóanyag kielégítően gyors keveredése jelenti. A keverékképzést követő égésnek egy igen rövid időintervallum alatt meg kell történnie, lehetőleg úgy, hogy a dugattyú felső holtponti helyzetéhez közel jöjjön létre a maximális nyomás. Ezért az égéstér kialakításnak döntő szerepe van a motor megbízható működésében a jó hatásfok elérésben. Az égéstérkialakításuk alapján a dízelmotorokat két csoportra lehet osztani:

Az égésterek geometriai alakját, elhelyezését, a levegőellátást és a hajtóanyag befecskendezést illetően mindkét kialakítás esetén számos megoldással találkozunk. A legáltalánosabban használt kialakításokat a következőkben ismertetjük.

2.1. Közvetlen befecskendezésű rendszerek

A közvetlen befecskendezés sokféle kialakítása ismert, elterjedten alkalmazzák. Jelentősége a dízelmotor fordulatszám növelésével és a környezetvédelmi előírások betartásával arányosan egyre nagyobb. Nagyobb hengerméretek esetén, ahol a keverékképzéssel kapcsolatos igények nem túlzottan szigorúak, gyakran alkalmazzák a 1.a. ábrán bemutatott Hesselmann égésteret.A befecskendezett hajtóanyag-sugár energiája elegendő ahhoz, hogy az égéstérben megfelelő cseppeloszlás és keveredés jöjjön létre. További légörvénykeltést a rendszer nem igényel. A hajtóanyag befecskendezésére centrális elhelyezésű, többfuratú fúvókát alkalmaznak.

A hengerméretek csökkenésével egyre nagyobb mértékű légörvény létrehozása szükséges. A kívánatos légörvény a szívócső megfelelő kialakításával a hengerbe lépő levegőáram irányítottságával, az ehhez illeszkedő belső tér kiképzésével és a tüzelőanyag fáklya irányítottságával érhető el. Ezeknél a rendszereknél a levegő örvénylése a kompresszió ütemben a dugattyú felfelé haladása közben, tovább fokozódik. A 1.b és a 1.c ábrák a közvetlen befecskendezésű motorok két olyan általános felhasználási célú típusát mutatják, melyekben a örvénykeltést dugattyúban lévő tér kialakításával fokozzák. A 1.b ábrán a hengerfejben középen, ferdén vagy merőlegesen elhelyezett, többfuratú fúvókát alkalmaznak. A Saurer típusú égéstereknek az a célja, hogy a befecskendezett hajtóanyag minél kisebb mennyiségben kerüljön a dugattyúkamra falára és az intenzív áramlással rövid idő alatt megfelelő keverék alakuljon ki. A 1.c ábra a M.A.N. "M" típusú égésterét mutatja. Ennél a megoldásnál egy ferdén elhelyezett, egyfuratú befecskendező fúvókát alkalmaznak olymódon, hogy a befecskendezett hajtóanyag minél nagyobb része a dugattyúkamra falára kerüljön. A két utóbbi konstrukciót főleg kis és középméretű dízelmotorokban 80-150 mm furatátmérő között alkalmazzák.

A környezetvédelmi követelmények kielégítésében kitüntető szerepe van a keverékképzésnek és az égésnek, ezen belül az égéstér kiképzésnek és a befecskendezés kialakításának. A 2. ábra a mai követelményeket is kielégítő közvetlen befecskendezésű megoldást mutat. A dugattyúban egy kádalakú dugattyúkamra került kialakításra. A befecskendezés egy asszimetrikus többlyukú fúvókás porlasztón át történik.

2.2. Közvetett befecskendezésű rendszerek

Közvetett befecskendezésű, vagy osztott égéstérű motorokat használnak azokban az esetekben, ahol erőteljes légmozgás kívánatos a kompresszió ütem időtartama alatt és a befecskendezés közben. A közvetett befecskendezésű motorok kialakítása lehet örvénykamrás, előkamrás és légkamrás.

A viszonylag kedvezőtlen motorjellemzők miatt a légkamrás megoldást ma már nem használják, viszont elsősorban kis hengertérfogatú motoroknál elterjedt az örvénykamrás és elôkamrás konstrukció. E motorokban a kompresszióütem alatt az égéstérben lévő levegőt a felfelé haladó dugattyú az égéstérhez csatlakozó kamrába kényszeríti az összekötő csatornán, vagy furaton (furatokon) keresztül. A kompresszió ütem végéhez közeledve a kamrában már erős légáramlás alakul ki. Ezt különösen örvénykamrás rendszerekben lehet jól érzékelni, mert magát a kamrát is úgy alakítják ki, hogy abban nagysebességű rendezett légáramlás jöjjön létre.

A hajtóanyagot rendszerint csapos fúvókán keresztül fecskendezik a kamrába, a közvetlen befecskendezésű rendszereknél szokásos befecskendezési nyomásnál alacsonyabb nyomáson. Az égés a kamrában kezdődik. Itt megemelkedik a nyomás és az égő keverék ennek hatására beáramlik a főégéstérbe, ahol tovább folytatódik. A 3. ábrán látható égésterek jobb oldalán helyezkedik el az izzítógyertya, amely a hidegindítást segíti. Az izzítógyertyát a motor indítása előtt használják, hogy biztosítsák a hajtóanyag gyulladási hőmérsékletét a sűrítési ütem vége előtt. Az előmelegítésre különösen azért van szükség, mert a tagolt égéstér következtében igen nagy a hűtött felület és így a motor nehezen indítható, illetve viszonylag hosszú idő után melegszik be.

2.3. A különböző égéstértípusok összehasonlítása

A dízelmotor feltalálása óta különböző tipusú égéstereket igen nagy számban készítettek és próbáltak ki. Az évek hosszú során azonban csak az a néhány kialakítás maradt fenn, mely figyelembe vette az égéstérben történő fizikai-kémiai változások alapelveit. Ezeknek az égéstereknek a legfontosabb jellemzőit az 1. táblázat foglalja össze. A működési jellemzőkre és a geometriai méretekre vonatkozó adatok a jelenleg használatos diesel motorok és égési rendszerek tipikus tartományait mutatják be.

A legnagyobb méretű, lassújárású motorok, melyeket stabil motorokként erőművekben, vagy hajókon alkalmaznak, nyitott rendszerű Hesselmann vagy ahhoz hasonló, lapos és nagy átmérőjű égéstérrel rendelkeznek, melyet a dugattyútetőben alakítanak ki. A hajtóanyag égéstérben történő szétosztását és a levegővel való egyenletes elkeveredését a hajtóanyag sugár kinetikus energiája segíti. Az említett megoldást kétütemű motorokban is előszeretettel alkalmazzák.

A következő méretkategóriát a nagy teherautók vontatók és mozdonyok motorjai képviselik. Ezeknél a motoroknál a leggyakrabban dugattyúkamrás égéstereket alkalmaznak, ahol a gömb, vagy toroid alakú égésteret a dugattyú koronájában alakítják ki. A beszívott levegő örvénylést végez. A keverékképzést rendszerint feltöltéssel segítik. A közvetlen befecskendezésű motorok esetében a motorok méretének csökkenésével növekszik a motorok legnagyobb fordulatszáma. A kielégítő hajtóanyag-levegő keveredés eléréséhez a beszívott levegőt intenzív örvénylő mozgás végzésére késztetik, melyet alkalmas kialakítású szívócsővel, vagy megfelelő alakú dugattyúkamrával érnek el. A szívószelep csatornáját a henger geometriai középvonalához képest érintőlegesen alakítják ki, ezért kezdetben a levegő örvénylését az így kialakított áramlás biztosítja. Az örvénylő mozgás tovább erősödik a kompresszió ütem alatt, amikor a levegőáram egyre inkább a dugattyúkamrába kényszerül. Egyik megoldása az egyfuratú fúvókát alkalmazó MAN "M" (Meurer, a konstruktör neve után) és "HM" égéstér (4. ábra). Ebben a kialakításban a hajtóanyagot a dugattyúkamra falára fecskendezik, ahol az elgőzölgő részecskék összekeverednek az intenzív áramlásban mozgó levegőrészecskékkel. A dugattyúkamra falán filmszerű hajtóanyaghártya képződik, míg a befecskendezett összmennyiség csak nagyon kis része (mintegy 5%-a) a levegővel éghető keveréket alkot. Ez a rész kezd öngyulladással égni, majd pedig a további égéshez előkészített hajtóanyag-levegő keveréket gyújtja meg. Ennek a megoldásnak jellemzője, hogy az égéstermékek koromtartalma alacsony, a hengerben lévő levegő nagy része (kb. 75%-a) kihasználható, a hengerben a nyomásemelkedés és így az égési zaj is mérsékelt, viszont a kedvezőtlen környezetkárosító hatásokat nehéz kivédeni.

Dízelmotorok égéstérkialakításával kapcsolatos fontosabb jellemzök       1. táblázat

3. A kompressziógyújtású motor égésének modellje

A dízelmotorok égéséről készült speciális fényképeknek, valamint a hozzátartozó nyomásdiagramok részleteinek együttes tanulmányozása vezetett a kompresszió gyujású motorok égési ciklusát leíró modell megalkotásához. A modell működésének értelmezéséhez először definiálni kell a hőfelszabadulás mértékének fogalmát. A hőfelszabadulás mértéke az a szám, mely megmutatja, hogy a hajtóanyag kémiai energiájaként bevezetett energia mekkora hányada szabadul fel az égés folyamán. A hőfelszabadulás mértéke számítható a főtengely elfordulási szög függvényében felvett nyomásdiagramból. Az égési modell leírása során az égés négy különböző fázisát különböztetjük meg. Az egyes fázisokat fizikai, vagy kémiai folyamatok választják el egymástól. Annak ellenére, hogy az egyes fázisok tulajdonságai jelentősen függnek az alkalmazott égési rendszertől, valamint az üzemeltetési körülményektől, a négy fázis mindegyike megtalálható minden dízel égési modellben. A négy szakasz a következő: a gyulladási késedelem már bizonyos fizikai és kémiai változásokkal, a gyors égési vagy nyomásemelkedési szakasz kezdete, a folyamatos keverékképzés által szabályozott égés, vagy másnéven főégési szakasz, valamint az égés késői szakasza.

A 5. ábrán egy közvetlen befecskendezésű dízelmotor hengernyomás-, tüelmozdulás- és befecskendezési-nyomás diagramja látható a kompresszió és expanzió ütem tartama alatt. A befecskendezett hajtóanyag mennyisége számítható a nyomóvezeték nyomása, az égéstér nyomása, a fúvóka geometriája és a tüelmozdulás mértéke alapján. A befecskendezett mennyiség változása időzítésében és jellegében is hasonló a tűelmozdulás ábrájához. A befecskendezés kezdete és az égés kezdete közötti időtartam, azaz a gyulladási késedelem az adott esetben 9 . Ez a nyomásgörbéhez húzott érintő alapján határozható meg. Az égés kezdete után a nyomás, néhány a főtengely elfordulási fok késedelem után hirtelen növekszik, majd lassabban változva eléri a csúcsot, mintegy 5 -kal a felsőholtpont után. A befecskendezés tovább folytatódik az égés megkezdése után is. A tárgyalt esetre vonatkozó és a hőfelszabadulás mértékét mutató diagram a 6. ábrán látható. A bemutatott hőfelszabadulási görbe alakja tipikus a közvetlen befecskendezésű dízelmotorok teljes terhelési- és fordulatszám tartományában.

Az ábrázolt hőfelszabadulás hőmennyiség, amely megfelel a gázok belső energia változása és a dugattyún jelentkező munka összegének. Ugyanakkor figyelembe kell venni az égéstér falának átadott hőmennyiségét is. A falaknak átadott hôveszteség a kisebb motorok esetében a hajtóanyag fűtőértékének 10-25 %-kát is elérheti, míg nagyobb motoroknál ez kevesebb. Azoknál a motoroknál, ahol a hôveszteség alacsony, a tiszta hőfelszabadulás ismerete megközelítően a valódi hőfelszabadulást jelentheti. A hőfelszabadulási diagram a kompresszióütem kezdeti szakaszában elhanyagolhatóan kismennyiségű hő keletkezését mutatja, bár a késedelmi periódus alatt már kis mennyiségű hő keletkezése nyilvánvaló. E szakaszban már történik hőátadás az égéstér falára és megkezdődik a hajtóanyag intenzív párolgása és melegedése is.

Az égés folyamatának három egymástól eltérő tulajdonságú fázisát különböztethetjük meg. Az első fázis tartalma csak néhány főtengelyfok, ennek ellenére az égés és a hőfelszabadulás mértéke viszonylag nagy. Ezt az intenzív nyomásnövekedés szakaszának is nevezik. Az égés második szakasza során fokozatosan csökken a hőfelszabadulás mértéke bár kezdetben gyakran előfordul egy második, kisebb mértékű csúcs is. Ez a hőfelszabadulás tekintetében a fő periódus, tartama hozzávetőlegesen 40 ft . A szakasz vége a maximális hőmérséklet elérésére tehető. A hajtóanyag energiatartalmának mintegy 80%-a az első két periódus alatt szabadul fel. Az égés harmadik szakaszának a hőfelszabadulási folyamat végét tekintjük. Ebben a szakaszban a hőmennyiség egy kisebb része, maximum 20 %-a szabadul fel. A hőfelszabadulás e szakaszán szinte végighúzódik a teljes expanzió üteme. A motor teljes terhelési és fordulatszám tartományára vonatkozó befecskendezési és hőfelszabadulási törvény tanulmányozása alapján Lyn szerint az alábbi megállapítások tehetők:

ˇ az égés teljes időtartama sokkal hosszabb, mint a befecskendezési periódus tartama                         ˇ a fordulatszám növekedésével arányosan növekszik a teljes elégetett hajtóanyag részaránya, ugyanakkor az égés tartama főtengelyelfordulásban kifejezve változatlan marad. ˇ a hőfelszabadulási görbén található első csúcs mértéke a gyulladási késedelem nagyságától függ. Minél nagyobb a csúcs, annál hosszabb a gyulladási késedelem, de ez fordítva is igaz. Pischinger szerint annál nagyobb a hőfelszabadulási csúcs és annál meredekebb a nyomásemelkedés, minél nagyobb a gyulladási késedelem alatt befecskendezett tüzelőanyag részaránya.

Az égésről készített fényképfelvételek értékelése és a fenti megállapítások jelentik az alapot a dízel égés modell megalkotásában. A  ábra sematikusan mutatja a befecskendezési- és az égési diagramot a főtengely elfordulási szög függvényében. Az ábra az égéstérbe fecskendezett hajtóanyag-mennyiséget kis részekre osztva mutatja. Az első szakasz a gyulladási késedelem. Ezt követi az égés megindulása, melyet az égési diagram első háromszöge jelképez. A továbbiakban a befecskendezés és a keverékképzés folytatódik az ábrán látható teljes befecskendezett és a teljes elégett tüzelőanyag mennyiségig. A hajtóanyag keveredése a levegővel eleinte gyors, később pedig egyre lassabb. A gyulladási pont bekövetkeztéig az addig már befecskendezett hajtóanyag keveredik a rendelkezésre álló levegővel és éghető keveréket alkot. Gyulladás csak a késedelmi idő letelte után kezdődik. Befecskendezés a keverékképzés és a gyulladás, illetőleg az égés tartama alatt is folyamatosan történik. A gyulladást követően a kezdeti intenzív égési arányt a gyulladási késedelem alatt befecskendezett és "előkevert" hajtóanyag mennyisége határozza meg. Ilyen jellegű égés és hőfelszabadulás általában a közvetlen befecskendezésű, szívó motoroknál figyelhető meg.

Fényképfelvételek kimutatták, hogy a hőfelszabadulási görbe csúcsának eléréséig a láng gyengén zöldes fényű. Az égésnek ezt a szakaszát túlnyomóan a már előkevert hajtóanyaghányad égése jellemzi. A hőfelszabadulási görbe csúcsa után, ahol az előre elkészített keverék részaránya csökken és az égésre alkalmas, friss keverék részaránya növekszik, a befecskendezett sugár turbulens, diffúzív lánggá kezd változni sárgás-fehér, majd narancsos árnyalatú színnel. A sárgás színek megjelenése az egyre növekvő mennyiségű szén-korom részecskék jelenlétére utal. A dízel égésfolyamat a 8. ábra jelöléseivel, az alábbi főbb szakaszokra osztható:

- Gyulladási késedelem (ab). A szakasz a hajtóanyag befecskendezésének kezdetétől a gyulladás kezdetéig tart. Tartama meghatározható a nyomásdiagram meredekségének változásából, a hőfelszabadulási adatok analíziséből, vagy a fénykibocsátást mérö detektor adataiból.

 -  Az előkészített keverék égése, vagy gyors (kinetikus) égési szakasz (bc). Ebben a fázisban a gyulladási késedelem alatt levegővel keveredett hajtóanyagnak az a része, mely gyulladásra kész keveréket alkot, ég el. Az égés nagy sebességgel játszódik le, néhány főtengely foknyi időtartam alatt. Az égő keverékhez természetesen hozzáadódik a frissen létrejövő keverék égése is. Ezek az adott fázisban együttesen égnek el és ez okozza a nagy hőfelszabadulási részarányt, az intenzív nyomásemelkedést.

 -  Folyamatos keverékképzés által szabályozott másnéven diffúziós égés (cd). Miután a gyulladási késedelem ideje alatt előkészített keverék elégett, az égés és a hőfelszabadulás további mértékét az szabályozza, hogy milyen minőségű és mennyiségű keverék áll rendelkezésre. Ez a szakasz is jónéhány részfolyamatot tartalmaz, mint pl. a hajtóanyag cseppek osztódása, párolgása, a hajtóanyag-pára keverése levegővel, gyulladás előtti kémiai reakciók stb. Az égést elsősorban mégis a hajtóanyag-levegő keverék folyamatos készítésének folyamata szabályozza. Ezt a periódust általában a hőfelszabadulási ábrán egy az első csúcsnál alacsonyabb csúcs jellemzi. A hőfelszabadulás mértéke a szakasz vége felé csökken.

-  Az égés késői szakasza (de). A hőfelszabadulás tovább folytatódik az expanzió ütem során. Ennek oka, hogy a hajtóanyag egy kisebb része még nem égett el és a hajtóanyag energiájának kisebb hányada korom és hajtóanyagban dús égéstermékek formájában még jelen lehet. Ez az energia részben még felszabadítható. A végső fázisban a hőfelszabadulás mértéke csökken a hengerben lévő gázok csökkenő hőmérséklete arányában.

4. A hengernyomás vizsgálata

A kompresszió és expanzió ütem alatt a hengernyomás vizsgálata alkalmas arra, hogy az égés lefolyásával kapcsolatban további információkat szerezzünk. Vizsgáljuk a dízel égési folyamatot, továbbá a hajtóanyag kémiai energiájának felszabadulását vagy más néven a hőfelszabadulását és határozzuk meg a befecskendezett hajtóanyag elégett részének arányát. Az analízis a termodinamika első tételének a felírásával célszerű kezdeni egy kvázi-statikus (állandó nyomású és hőmérsékletű), nyitott rendszerre vonatkozóan:

(1)

ahol:

időegység alatti hőközlés (J/s)

a rendszer által végzett munka (J/s)

a rendszerbe jutó tömegáram (a kifelé áramló tömeg negatív előjelű) (kg/s)

a rendszerbe időegység alatt bevezetett, vagy elvezetett entalpia (J/s)

= a hajtóanyaggal időegység alatt bevezetett energia (J/s)

A (1) egyenlet alkalmazását az alábbi problémák nehezítik:

A felsorolt problémák miatt a modellezések során mind a bonyolult mind pedig az egyszerűbb módszerek csak közelítő megoldásokat képesek adni. Nehéz olyan többváltozós egyenletrendszereket felállítani, melynek valamennyi függő és független változója, ezek peremfeltételei a realitásoknak megfeleljenek. A probléma hasonló a konvektív hőátadás vizsgálatához.

5. A befecskendezési sugár viselkedése

5.1. Befecskendezés

A hajtóanyagot a dízelmotor égésterébe fúvókán keresztül juttatják be, a fúvóka furatán létrejövő nagy nyomáskülönbséggel. Befecskendezéskor az égéstér nyomása jellemzően 30-50 bar. A befecskendezési nyomás 100-1700 bar közötti, függően az adott motor méretétől, az alkalmazott égéstér és a befecskendező rendszer típusától. Nagy befecskendezési nyomásra azért van szükség, hogy a befecskendezési sugár elegendően nagy sebességgel érkezzen az égéstérbe ahhoz, hogy a hajtóanyag cseppek osztódása megtörténjék. A nagy sebesség következtében a cseppek apróbb részekre esnek szét, ezért gyorsabb párolgásra lesznek képesek, valamint növekszik az égéstéren való áthatoló képességük, ezáltal jobban és egyenletesebben ki tudják használni a rendelkezésre álló teret illetve levegő töltetet.

A befecskendező rendszerek feladata tehát az adott fordulatszámnak és terhelésnek megfelelő hajtóanyagmennyiség befecskendezése hengerenként és ciklusonként, befecskendezési időpontban és időtartamban, az égéstérnek megfelelő nyomású és minőségű hajtóanyagsugár előállítása, határozott kezdetű és végű befecskendezés biztosítása, a másodlagos befecskendezés elkerülése, és a kívánt hajtóanyag eloszlás biztosítása a befecskendezés folyamán.

A feladat megvalósítása érdekében a motoron külön hajtóanyagellátó és befecskendező rendszert alakítanak ki (9. ábra). A hajtóanyagot a tartályból a tápszivattyú szállítja a szűrőn keresztül a befecskendező szivattyúhoz (10. ábra). A befecskendező szivattyú nagy nyomással juttatja a hajtóanyagot a hengerfejben elhelyezett befecskendező fúvókákhoz. A felesleges hajtóanyag (pl.résolaj) külön vezetéken jut vissza a tartályba.

A kiegészítő részeket (tápszivattyú, szűrő, csővezetékek) leszámítva a dízel befecskendező rendszer fő részei a következők: a befecskendező szivattyú, a nagynyomású vezetékek (nyomócsövek) és a befecskendező fúvóka.

Napjainkban sokféle befecskendező szivattyút és fúvókát alkalmaznak. Az egyik legelterjedtebb kivitelű a soros elrendezésű forgódugattyús befecskendező szivattyú (11. ábra). A forgódugattyús befecskendező szivattyúban bütykös tengely működteti az egyes adagoló elemeket (hengerenként egyet), melynek dugattyúi igen pontosan illeszkednek házukban. Külön tömítést az elem és a hüvely között nem alkalmaznak. A felfelé haladó adagoló elem először elzárja a közös tüzelőszer csatorna nyílását, majd a tovább felfelé haladó elem, maga előtt tolva a hajtóanyag oszlopot, a hajtóanyagot egy visszacsapó szelepen keresztül a nagynyomású vezetékbe továbbítja (12. ábra). Az egyes elemeket rugók szorítják az ülékükre ezáltal kényszerítve arra, hogy a bütyökprofilt kövessék. Az elemek lökete állandó. A befecskendezés röviddel azután kezdődik, hogy a nagynyomású vezetékben a nyomás elkezd növekedni. A befecskendezés kezdetét a szivattyú tengelyének a motor főtengelyéhez viszonyított helyzete határozza meg.

A befecskendezés akkor ér véget, amikor a még mindig felfelé haladó adagoló elem csigavonalú hornya szabaddá nem teszi a beömlőnyílást, csökkentve ezzel a nagynyomású vezeték nyomását. A hirtelen nyomáscsökkenés következtében lezár a fúvóka is és megszünik a befecskendezés. Fontos szerepe van az elemek fölött elhelyezkedő, visszacsapó szelepként működő úgynevezett fejszelepnek (13. ábra). Szerepe a befecskendezés végén a meghatározó. A szelepnek két zárófelülete van, egy hengeres tolattyúszerű és egy kúpos. Először a hengeres zár, majd további szelep elmozdulás következtében a nyomócsőben jelentős térfogatnövekedés és ezáltal azonnali nyomásesés jön létre. Ez a befecskendezés végét teszi határozottá. A befecskendezett hajtóanyag mennyiségét az adagoló elem vezérlőélének pillanatnyi helyzete és alakja határozza meg. A befecskendezés lefolyását a hajtóanyag hengerbe juttatásának eloszlását a bütyökprofil alakja és a befecskendezés, ezen belüli elhelyezkedése határozza meg.

A forgóelosztós, vagy más néven disztribútoros szivattyúk csak egy adagoló elempárral rendelkeznek. Ez az egy elempár végzi az adagnagyság szabályozását és egyúttal az egyes hengerekhez való hajtóanyag-elosztást. A forgóelosztós szivattyúkat általában többhengeres és hengerenként kevesebb, mint 30 kW teljesítményt szolgáltató motoroknál alkalmaznak, maximálisan 600-800 bar befecskendezési nyomásig (14. ábra). Az egység egy kisnyomású tápszivattyút egy nagynyomású befecskendező szivattyút, egy fordulatszám szabályozó regulátort, valamint egy befecskendezési kezdet szabályozót tartalmaz.

A befecskendezéshez szükséges nagy nyomást az adagoló elem állítja elö, amely egyaránt végez forgó és alternáló mozgást. Meghajtásáról egy forgó excentrikus, vagy bütykös tárcsa gondoskodik. A hajtóanyag elosztása az egyes hengerekhez a forgómozgás által történik, míg a befecskendezést az alternáló mozgással oldják meg. Ezek a szivattyúk tömörebb kialakításúak és olcsóbbak, mint a forgódugattyús rendszerűek, de ugyanakkor csak kisebb befecskendezési nyomásra képesek. A forgóelosztós szivattyúk nagyobb fordulatszámmal képesek működni és kisebb beépítési helyet igényelnek. Általában kisebb méretű és nagyobb fordulatszámú motoroknál alkalmazzák.

Az egészen kis egy- vagy kéthengeres, illetőleg a nagyobb méretű motoroknál egyedi kialakítású, egyhengeres adagolószivattyúkat alkalmaznak (15. ábra), azokat az egyes hengerek közelében elhelyezve. Működtetésüket általában külső hajtással oldják meg. Közepes és nagyobb motorokon ugyancsak széles körben alkalmaznak olyan befecskendező rendszereket, melyeknél a szivattyú és a befecskendező fúvóka egy egységbe van építve.

A befecskendező rendszerek legfontosabb és leginkább igénybevett elemei, a befecskendező fúvókák (16. ábra). Ezek rendszerint egy vagy több furattal rendelkeznek, melyeken keresztül nagy nyomással hatol be a hajtóanyag az égéstérbe. A bemutatott fúvókák tűszelepes kialakításúak, melyekben a tűszelep nyitását a hajtóanyag nyomása vezérli. A fúvókák szelepét rugó tartja zárva, amíg a szelep rendszerint kúpos felületére ható nyomás a rugóerőt le nem győzi és nyitja a szelepet (1 ábra). A kipufogógázok szénhidrogén tartalmának csökkentése miatt fontos dolog, hogy a be nem fecskendezett (visszamaradt) hajtóanyag mennyisége a lehető legkisebb legyen és hogy a befecskendezést követően a fúvóka mégegyszer ne nyithasson ki. Ezt részben a befecskendező szivattyúba épített fejszelep, részben a fúvóka célszerű kialakításával érik el.

Az egy furattal készülő fúvókák legjellegzetesebb kialakítása a csapos megoldás. A tűszelep záró részének az alakja illetve a csap kialakítása határozza meg a befecskendezési sugár alakját, a porlasztási képet és befolyásolja a befecskendezési karakterisztikát. A többlyukú fúvókák általában szimetrikusan kialakítottak, páros vagy páratlan számú azonos méretű furattal. Az utóbbi időben alkalmazzák az asszimetrikus elrendezésű, eltérő méretű furatokat. Az indítás és a biztos gyújtás megkönnyítése érdekében gyakran alkalmaznak a fúvókákon kisegítő furatot, kisebb méretű kisegítő sugár előállítására. Ismeretesek még a tűszelep nélküli, nyitott fúvókák, ezeket azonban ma már a dízel technikában nem alkalmazzák

Napjainkban már megjelentek az elektronikus vezérlésű befecskendező rendszerek is, melyekre a 18. ábra mutat példát. A mechanikus befecskendező szerkezet analógiájaként egy elektromágneses működésű szabályozó szelep határozza meg a befecskendezés időpontját és a szükséges adagnagyságot. A szelep zárása indítja el a nyomásnövekedést és a befecskendezést, míg nyitása a befecskendezési nyomás csökkenését és a befecskendezés befejezését eredményezi. A szelep zárásának időpontja határozza meg a ciklusadag nagyságát. Az ábrán látható megoldásnál az adagoló elem mozgatását bütykös tengely és himba végzi. Ezzel állítják elő a szükséges befecskendezési nyomást. A befecskendezést hagyományos kialakítású fúvókán keresztül történik.A 19. ábra egy elektro-mechanikus befecskendező rendszert mutat be. Az alap egy forgóelosztós adagoló. Ez szabályzó elektronikával van ellátva, melyek mágneses szelepeket (20. ábra) vezérelnek. Az elektronikus befecskendezés előnyei a megnövekedett rugalmasság az adagnagyság előállításában és a befecskendezés időpontjának beállításában, valamint az egyszerűbb mechanikus szerkezet.

.5.2. A fúvókán áthaladó tömegáram meghatározása

A hajtóanyagáram pontos leírása egy adott befecskendezési rendszerben bonyolult hidraulikus modell kialakítását igényli. Az irodalom széles körben ajánl kidolgozott modelleket erre a célra is. A befecskendezést a tömegáram jellemzi. Ha ismerjük, vagy mérni tudjuk a fúvókánál a nyomásváltozást, a fúvóka furatán átáramlott hajtóanyag mennyiséget az alábbi összefüggéssel határozhatjuk meg. Mindehhez feltételezzük, hogy a furatokon keresztüli áramlás állandó és a folyadék összenyomhatatlan. A tömegáram:

(2)

ahol: = a fúvókán keresztül befecskendezett hajtóanyag tömegárama, (kg/s)

áramlási együttható,

a fúvóka keresztmetszete, (m2)

a hajtóanyag sűrűsége, (kg/m3)

a fúvóka furatán létrejövő nyomásesés, (Pa).

Ha a fúvókán létrejövő nyomásesést és a furat méretét állandónak tekintjük, akkor a befecskendezett hajtóanyag mennyiséget az alábbiak szerint határozhatjuk meg:

(3)

ahol: a fúvóka nyitvatartása főtengely elfordulási szögben kifejezve, (fto)

n = a motor fordulatszáma (f/s).

5.3. A befecskendezési sugár szerkezete

A hajtóanyagot a dízelmotor égésterébe egy, vagy több fúvókanyíláson keresztül juttatják be. A leggyakrabban használt dízel befecskendező fúvókák 100-1700 bar közötti nyomással működnek. A befecskendezés pillanatában a levegő nyomása az égéstérben 40-60 bar, míg a hőmérséklete 1000-1200 K és sűrűsége 15-25 kg/m3. A fúvóka furatátmérője 0.2-1 mm, míg a furat hossz-átmérő viszonya 2-8 közötti. Az alkalmazott diesel olaj sűrűsége általában 800-850 kg/m3, viszkozitása 3-10 kg/m.s, felületi feszültsége 3x10-2 N/m (300 K-nél).

A 21. ábra egy tipikus hajtóanyag sugarat mutat, közvetlen befecskendezésű motor esetén. Ahogy a folyadéksugár elhagyja a fúvókát és ütközik az égéstér levegőjével, az áramlás turbulenssé válik. A sugár szétnyílik. Kezdeti sebessége általában nagyobb, mint 100 m/s. A fúvóka nyílása közelében a sugár külső felületén a tüzelőanyag 10-12 m m átmérőjű apró cseppekre szakad. A továbbiakban a beáramló folyadék különböző méretű cseppek formájában terjed szét az égéstérben. Ahogy az egyes cseppek távolodnak a fúvókától, a levegő aránya a folyadék fáklyán belül egyre növekszik, a sugár egyre jobban szétnyílik és csökken a cseppek sebessége. A hajtóanyagcseppek égéstérbe történő behatolása során jelentős mértékben megnő párolgásuk. A sugár csúcsa hatol a legtávolabb az égéstérben, de sebessége fokozatosan csökken. Minden folyadéksugár cseppekre és sugár fonalakká bomlik. A sugár behatol a levegőbe, szétterjed és lelassul. Először a sugár külső szélén lévő cseppek kezdenek el párologni, elkeverednek a levegővel és gőzfelhőt képeznek, mintegy védőburkolatként körülvéve a sugármagot. A legnagyobb áramlási sebesség a sugár magjában található. A hajtóanyag-levegő keverési aránya a sugár keresztmetszetében változik, a legkisebb a légviszony középtengelyénél, míg attól távolodva, a sugár határfelületénél (keveretlen levegő), fokozatosan nő. Ha a sugár eljutott az égéstér széléig, akkor kapcsolatba kerül a henger falával. Itt a sugár irányt változtat és követi a fal görbületét.

5.4. A tüzelőanyag fáklya kialakulása és behatolása

A befecskendezés során a hajtóanyag sugár rendszerint kúp alakú. A sugár kialakulásfázisban kezdődik meg a folyadék cseppek képződése. A cseppek sokkal kisebb méretűek, mint a fúvóka furatátmérője. A cseppképződéssel egyidejűleg megkezdődik az intenzív párolgás is. A sugár kezdeti kúpszöge növekszik az égéstérben lévő közeg sűrűségének növekedésével és fokozatosan közelít a fúvóka nyílásához. A sugár kúpszöge ugyanakkor növekszik a hajtóanyag viszkozitásának csökkenésével. Egy bizonyos viszkozitás érték alatt a sugárkúpban az intenzív cseppképződés már a fúvóka nyílásánál elkezdődik.

A fúvóka kiképzése és a porlasztási nyomás jelentősen hat a sugár felbomlásának, valamint behatolási mélységének kezdetére és egész további folyamatára. A sugár kúpszögének a nagysága fordított arányban áll a fúvóka furatának hosszával. Ugyanakkor azonos furatméretek mellett, a kerekített szélü fúvóka-nyílás kisebb kúpszöget eredményez, mint az éles szélű fúvóka. A sugárkialakulás folyamatára nincs jelentős hatással a párolgás.

A hajtóanyagsugár sebessége és a behatolás mértéke jelentősen befolyásolja a létrejövő keverék minőségét. Azoknál a motor konstrukcióknál, ahol a hengerfal magas hőmérsékletű és intenzív a légmozgás, kívánatos a henger falára történő fecskendezés. Más esetekben azonban, ahol a hengerfal hőmérséklete alacsonyabb és nincsenek, vagy csak mérsékelt légörvények keletkeznek és szintén a henger falára fecskendezünk, romlik a keverékképzés mértéke. Ilyenkor a kipufogógázban növekszik az el nem égett, vagy csak részben elégett alkotóelemek aránya. Az elmondott esetek miatt, különböző dízel égéstereknél, a hajtóanyagsugár áthatolásának vizsgálatával kapcsolatban nagyon sok kísérlet és tanulmány ismert.

A hajtóanyagsugár áthatolásának számítására sokféle, részben kísérleti alapokon meghatározott összefüggést ajánlanak. Ezek az összefüggések általában a sugárcsúcs áthatolásának mértékét (S) adják meg az idő függvényében. Mivel a befecskendezési kísérletek rendszerint nyugodt légtérbe történtek, ezért a fellelhető legtöbb összefüggés főleg közvetlen befecskendezésű, nagyobb motorokra érvényes. A sugáráthatolás mértékének meghatározására az egyik legjobb közelítést Dent ajánlja:

(mm) (4)

   ahol: a fúvókában történő nyomásesés, (Pa)

az égéstérben lévő közeg sűrűsége, (kg/m3)

a befecskendezés kezdetétől számított idő, (s)

a fúvóka furatátmérője, (mm)

a közeg hőmérséklete az égéstérben, (K).

Sok kutató vizsgálta a folyamatot. Hiroyasu és társai vizsgálatának eredményeit mutatja 22. ábra, ahol a sugárcsúcs helyzetét az idő, a környezeti levegő nyomása és a befecskendezési nyomás függvényében lehet tanulmányozni. A kísérlet során a befecskendezés mozgásmentes légtérbe, szobahőmérsékleten történt. Az adatok azt mutatják, hogy a kezdeti sugárcsúcs áthatolása az égéstérben az idő függvényében lineárisan (a sugárcsúcs sebessége állandó), a sugár felbomlását követően pedig az idő négyzetgyöke szerint változik. A befecskendezési nyomás nagysága erősebben hat a sugár mozgására különösen a sugárkép felbomlása előtt. Az égéstérben lévő közeg nyomása viszont a sugár felbomlása után fejti ki fékező hatását a sugár mozgására.

5.5. Cseppméret és a sugárkép eloszlás

A hajtóanyag cseppek méreteit különösen nehéz megállapítani működő motorban, ezért az ezzel kapcsolatos tanulmányok általában nyugalmi állapotú, szobahőmérsékletű és állandó térfogatú kamrába történő befecskendezést vizsgálnak. A befecskendezés ideje alatt a befecskendezés feltételei változóak. Így változik a nyomásesés a fúvókán, az időegység alatt befecskendezett hajtóanyag mennyisége stb. Következésképpen a sugár egy adott helyén az idő függvényében a cseppek mérete és méreteloszlása is változhat. Miután a cseppképződési folyamat körülményei különbözőek a sugár magjában és a sugár szélén, valamint a cseppek röppályája függ a cseppek méretétől, kezdeti sebességétől, elhelyezkedésétől az adott sugáron belül, a cseppképződés mértéke változni fog a sugárban elfoglalt helye szerint is. A felsorolt körülményekre vonatkozó alkalmas válaszok még további kutatásokat igényelnek.

A 23. ábrán egy szimulációs kísérlet eredményeit látjuk. Az ábra a cseppméret gyakorisági eloszlását mutatja a cseppátmérő függvényében, a sugártengelytől vett különböző radiális távolságokban, a porlasztó csúcsától mért állandó helyzetben. Megfigyelhető, hogy az egyes gyakorisági görbék csúcsa a nagyobb cseppméretek irányába tolódik, ahogy a sugártengelytől mért radiális távolság csökken. Másképpen fogalmazva: a befecskendezési sugár széléhez közelítve egyre kisebb méretűek a cseppek.