8. fejezet - Keverékképzés az Ottó-motorokban

Az adott üzemmódhoz tartozó levegő-tüzelőanyag keverék meghatározása tervezési kérdés. Ennek oka, hogy más-más légfelesleg tartozik az optimális fogyasztáshoz, teljesítményhez és károsanyag kibocsátáshoz (8.5. ábra).

Legnagyobb effektív nyomás és az ezzel arányos maximális teljesítmény levegőben szegény keverék esetén adódik (λ=0,9-0,95). Ennek magyarázata elsősorban a lángterjedési sebességben keresendő. A folyamat termodinamikai hatásfoka akkor a legmagasabb, ha felső holtpontban történik a hőfelszabadulás (égés) azaz a dugattyú felső holtpontjában égetjük el a keveréket végtelen égési sebességgel. Ez azonban nem megvalósítható, így a legjobb hatásfokot akkor tudjuk megvalósítani, ha az égési sebesség a maximális. Legnagyobb lángterjedési sebesség léghiányos keveréknél adódik (λ=0,85-0,9), nem a sztöchiometrikus (λ=1) keveréknél.

Optimális fajlagos fogyasztás levegőben dús keverékhez tartozik (λ=1,05-1,10). Ennek két legfőbb oka, hogy itt a munkaközeg fajlagos hőkapacitása növekszik, így kisebb a lánghőmérséklet, és a falnak leadott hő, továbbá az inhomogenitások miatt ennél a keveréknél a legjobb tüzelőanyag kihasználtsága (elégése).

A hármashatású katalizátor (NSCR) szempontjából optimális a sztöchiometrikus (λ=1) körüli keverék.

Az adott, megválasztott optimumtól bizonyos üzemmódokban el kell térni:

A hengerenkénti befecskendező rendszerek terjedtek el először, ennek főbb okai a következők:

A hengerenként befecskendező rendszerekben (MPI, Multi Point Injection vagy Port Injection) minden henger szívó vezetékben található egy befecskendező amely által porlasztott tüzelőanyag elsősorban a zárt szívószelepre fecskendezi be a tüzelőanyagot, amely elsősorban annak a felületéről párolog el és ezzel elkezdődik a homogén tüzelőanyag gőz és levegő keverék kialakulása. A kezdeti rendszerek esetén a befecskendezők folyamatosan adagolták a tüzelőanyagot (pl. Bosch-K Jetronik rendszerek), később egyszerre, vagy párokban szekvenciálisan, majd minden befecskendező szekvenciálisan fecskendez be.

Ezen rendszereknél un. felső betáplálású befecskendezőket alkalmaznak. A befecskendezőket több szempontból is lehet típusokra bontani. Egyik megoldás az un. csapos befecskendezők, itt a szeleptű és a fúvóka furat között a tekercs által kinyitott gyűrűrésen keresztül áramlik ki kúp formájában a tüzelőanyag. Furatos kialakítású befecskendezők a tű előtt elhelyezett lap furatain keresztül áramlik ki a tüzelőanyag. Ezt a megoldást elsősorban több –szívó- szelepes konstrukciók esetén alkalmazzák. Az úgynevezett oldalsó bevezetéses befecskendezőket központi befecskendező rendszereknél alkalmaznak. Fontos megemlíteni, hogy a befecskendezők jelentkeznek holtidővel, amely időnél rövidebb nyitási idő esetén nincs befecskendezés. A befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét elsősorban a tüzelőanyag viszkozitása és sűrűsége befolyásolja.

A központi befecskendezők (SPI, Single Point Injection; 8.9. ábra) egyszerűbb kialakításúak, elsősorban a katalizátorok megjelenésével terjedtek el. A hengerenkénti egyforma keverék létrejötte nem biztosított ezeknél a rendszereknél, viszont a légfelesleg tényező szabályzása megoldható. Ezen rendszereknél un. oldalsó betáplálású befecskendezőket alkalmaznak.

A közvetlen befecskendezésű rendszerek részben egyesítik a Diesel-motorok és az Ottó-motorok előnyeit. Kis terhelésnél a fojtószelep igen nagy fojtást, veszteséget okoz az Ottó-motorban. A direkt befecskendező rendszer ilyenkor teljesen kinyitja a fojtószelepet, így az égéstérben igen nagy légfelesleggel jön létre a keverék. A gyújthatóság illetve a tökéletes égés csak az un. réteges keverékképzéssel valósítható meg. Ez azt jelenti, hogy az égéstér gyújtógyertya körüli térrészben van csak tüzelőanyag, illetve ennek keveréke levegővel. Ehhez a befecskendezés a kompresszió-ütemben történik (8.10. ábra)

Ma ezt az inhomogén keverékképzésű üzemmódot kevés gyártó alkalmazza, azonban a direkt befecskendezés igen elterjedt. Ennek előnyei a hagyományos külső keverékképzéssel szemben elsősorban köztes terhelési üzemmódokban a következők:

Viszont számos hátrányt is lehet tapasztalni:

A benzin befecskendező rendszerek három fő egységből épülnek fel; a tüzelőanyag rendszer, melynek eleme a befecskendező, a levegő rendszer és a vezérlő-szabályzó elektronika (ECM, vagy ECU; 8.11. ábra). A tüzelőanyag rendszer a benzintartályban tárolja a tüzelőanyagot, innen a általában egy szűrő után a táp szivattyú továbbítja a tüzelőanyagot a befecskendező felé, 2-3 bar nyomáson. Több féle tüzelőanyag szivattyú konstrukció létezik:

A hagyományos rendszereknél a tüzelőanyag – szívótér nyomást - a vezérlés egyszerűsítése érdekében- állandó értékre szabályozzák, erre a célra szolgál a tüzelőanyag rendszerben található nyomás szabályozó, azonban számos korszerű rendszernél ezt már elhagyják.

A korszerű belsőégésű motorok el-nem égett szénhidrogén kibocsátása alacsonyabb mint a tüzelőanyag tartály párolgása –főleg magas környezeti hőmérsékleten- ezért gondoskodni kell a tüzelőanyag gőzök ártalmatlanításáról, erre a célra egy regeneráló rendszert építenek be, amely megfelelő körülmények –elsősorban nagy teljesítmény és üzem meleg rendszer- között a gőzöket a szívó vezetékbe visszavezeti (EVAP szelep) így azok a motorban kerülnek felhasználásra.

A levegő a levegőszűrön keresztül lép be a szívó rendszerbe, a következő elem általában levegő hőmérséklet jeladó. Ennek segítségével tudja a ECM meghatározni és korrigálni levegő sűrűségét. Erre a célra a korszerű rendszereknél általában NTC illetve PTC ellenállás-hőmérőket alkalmaznak. A következő elem a teljesítmény szabályzásra szolgáló fojtó szelep. Hagyományos rendszerekben (pl. gázbovdenes) alapjárat esetén a fojtó szelep teljesen bezáródik. Ezeknél a rendszereknél az alapjárati levegő szabályzására egy megkerülő ágat alkalmaznak, melyen áramló levegő mennyiségét pl. egy kitöltési tényezővel vezérelt szelep (ISC) segítségével szabályozza az ECM. Korszerűbb rendszerek esetétén a szervo vezérlésű fojtószelep nem záródik be teljesen, a helyzetével szabályozható az alapjárati levegő mennyisége. Így szabályozható az alapjárati fordulatszám. A rendszer következő fontos eleme a levegő mennyiség jeladó. Ennek legelterjedtebb változatai:

Ezután a szívócsőben keveredik a levegő a tüzelőanyaggal. A harmadik elem a vezérlő-szabályzó elektronika.

A motorirányító rendszernek számos típustól függő bemenete van, ezek közül a legáltalánosabb jeladó és jelek:

Az motor hőmérséklet jeladó általában NTC vagy PTC jeladó, ennek az alapján végzi a hidegindítási dúsítást az ECM, illetve bizonyos rendszerek esetén csak az üzem meleg motor esetén engedélyezi a teljes terhelést. Egyes rendszereknél ez kiegészül a kenőolaj hőmérséklet mérésével is.

A megfelelő akku feszültség a feltétele a motor indításának, de jelentős a szerepe a befecskendező szelep(ek) karakterisztikájára is (pl. szelep holtideje).

A lambda-szonda segítségével nyílik lehetőség a füstgáz O₂ tartalmából meghatározni a keverék minőségét és arra szabályozni. A lambda szondák két alapvető típusa:

A fordulatszám jeladók általában egy fogas vagy jeladó tárcsa mellett elhelyezet induktív magnetosztatikus vagy magnetorezisztív vagy Hall jeladó amely segítségével az ECM meghatározza a fogak közti időből a fordulatszámot, valamint leggyakrabban fog kihagyásból az időzítéshez szükséges főtengely helyzetet (CAS, 8.12. ábra). Ez elegendő információ egy központi befecskendezéses és parazita vagy mechanikus gyújtású rendszer üzemeltetéséhez. Viszont egy szekvenciális hengerenként MPI rendszernél, vagy tisztán elektromos gyújtás rendszernél nem elegendő tudni a felsőholtpont (FHP) időpontját, szükséges tudni, hogy az munka ütemi vagy közegcsere FHP. Erre a célra szolgál általában a vezérmű tengelyen található jeladó (CMP, 8.13. ábra).

A befecskendező rendszer vezető ECM működése több részre osztható. Az alap vezérlő rendszer a motor fordulatszáma a beszívott levegő mennyiség alapján rendelkezik egy alap befecskendező mátrixszal, ennek több elnevezése ismert, angolul a „map” németül a „kennfeld” kifejezést használják, melyek gyakran a magyar nyelvbe is beszivárognak (8.15. ábra). Ennek alapján lehet vezérelni az alapműködést, azaz a befecskendező (SPI) vagy befecskendezők (MPI, FSI) nyitási idejét és a befecskendezés időpontját, a nyitási időt a fejletség alapján különböző paraméterek (hűtővíz hőmérséklet, levegő hőmérséklet, akkumulátor feszültség, stb.) segítségével tovább lehet korrigálni. A következő szinten a megfelelő feltételek teljesülése esetén –pl. szélessávú lambda-szonda üzem készsége- a lambda szabályzás korrigálja a befecskendezés idejét. Ebben a mátrixban a programozó megadhatja, hogy az egyes üzemi pontokban milyen légfeleslegre kíván a szabályozni a rendszer. A következő szint a terhelésváltozás igény, azaz a dinamikus tulajdonságok. Erre vonatkozó igényt az ECM a gázpedál, vagy a szabályzó szelep pozíció változásából határozza meg. Ebben az esetben vagy csak egy vektor, vagy ismét egy mátrix segítségével növeli vagy csökkenti a befecskendezés idejét az ECM. Ilyenkor a lambda szabályzás ki is kapcsolhat. Természetesen nem csak a befecskendezés idejét vezérli a rendszer, hanem hasonló módszerrel a gyújtás és egyéb rendszerek pl. füstgáz visszavezetés mértékére is léteznek hasonló mátrixok (lásd 8.14. ábra)

Az alábbi fejezetben részletesebben bemutatjuk azokat a szenzorokat, melyek speciálisan a belsőégésű motor menedzsment rendszerekben kerülnek felhasználásra, többségük nem csak Otto- de pl. Diesel-motorokban is felhasználásra kerülnek.