Diesel-motorok fejlesztése

Dr. Cser Gyula  (1934-2002)
a műszaki tudományok kandidátusa
az AUTÓKUT Rt. vezérigazgatója

A cikk közlésének szomorú apropóját szerzője halála adja; Dr. Cser Gyula az AUTÓKUT Rt. vezérigazgatója hosszú, súlyos betegség után 2002. február 5-én elhunyt. 
Azért választottam ezt a cikket sok publikációja közül, mert ebben szerzőjének az AUTÓKUT-ban eltöltött szakmai életútja is szinte nyomonkövethető. A cikk a Járművek  című szaklap 1999. 11. számában jelent meg először. A másodközlés engedélyezését itt köszönöm meg az X-Meditor Kft-nek.

1. Fejlesztési irányok az elmúlt időszakban és napjainkban

A 60-as és 70-es években a fejlesztés elsősorban a motorok teljesítményének, fogyasztásának javítására, valamint a szerkezetek megbízhatóságának és élettartamának növelésére irányult. Ezek egyik leglátványosabb jellemzője volt a feltöltés térhódítása, amelynek segítségével a motorok fajlagos teljesítménye csaknem a kétszeresére nőtt. A 80-as évektől kezdődően egyre nagyobb hangsúlyt kapott a környezetvédelem, amely tendencia napjainkban is tart.

A károsanyag-kibocsátás csökkentésével azonban a felhasználók, így a gyártók sem kívánnak lemondani az időközben elért energetikai előnyökről. A feladat tehát úgy fogalmazható meg, hogy a korábban elért fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás és teljesítmény romlása nélkül kell a kibocsátott káros anyagok szintjét csökkenteni. Haszonjármű Diesel-motoroknál a jelenleg szabályozott C0, CH, NO és PT (részecske-) emisszió közül a legnehezebb feladatot elsősorban a PT (részecske-) és az NOx -emisszió további csökkentése jelenti.

Nyilvánvalóan a legkézenfekvőbb lehetőségnek látszik motoron belüli megoldásokkal csökkenteni az emissziós szintet. Ez az égés folyamatának módosításával érhető el, de egy bizonyos határon túl már nem kerülhető meg a kipufogógáz utókezelése sem. Alkalmazásuk akkor indokolható, ha így kedvezőbb energetikai jellemzők vagy kisebb gyártási költségek mellett lehetséges a kívánt mértékű javulás. A jelenlegi EURO2, vagy a közeljövőben életbe lépő EURO3 emissziós szintek még nem kívánják meg feltétlenül a kipufogógáz utókezelését. A 2005 körül bevezetésre javasolt EURO4 fokozat határértékeinek kielégítéséhez azonban már várhatóan ezek is szükségesek lesznek.

2. A rendelkezésre álló lehetséges eszközök

A Diesel-motorban lejátszódó égésfolyamatot alapvetően a befecskendezett tüzelőanyag és a levegő keveredése határozza meg. A közvetlen befecskendezésű Diesel-motorok hengerterében a hagyományos befecskendezőrendszerekkel előállítható nyomások mellett jelentős légáramlást kellett létesíteni: ez segítette elő a keveredést. Bár ilyen módon energetikailag kedvező eredmények voltak elérhetők, a viszonylag durva porlasztás miatt hosszú ideig tartott a tüzelőanyag előkészületi ideje, az ún. gyulladási késedelem. A gyulladási késedelem alatt befecskendezett gázolaj pedig csaknem egyszerre gyulladt meg, ami nemcsak a motor hengernyomását és zajszintjét növelte meg, de az NOx -emissziót is.

A feladat egyre inkább olyan befecskendezőrendszerek kifejlesztését és alkalmazását kívánta meg, amelyekkel a hagyományosnál lényegesen nagyobb nyomások voltak előállíthatók. Ezzel ugyanis csökkenthetők voltak a befecskendezett tüzelőanyagcseppek méretei, azzal együtt pedig a gyulladási késedelem is. A keveredés feladatát ezzel egyre inkább az égéstérbe bejuttatott tüzelőanyag vette át. Ennek tömegáramát az idő függvényében úgy kell szabályozni, hogy az égés a kívánt sebességgel menjen végbe.

A Diesel motorok fejlesztésének középpontjában ezért jelenleg a befecskendezési eljárás javítása áll minden olyan követelménnyel együtt, ami abból következik. Ezek egyike a hengerszimmetrikus keverékképzés  feltételeinek biztosítása, ami három- vagy négyszelepes hengerfejjel érhető el. Itt ugyanis a fúvókacsúcs a henger- és az égéstér-tengelyében helyezhető el, minden kompromisszum nélkül.

A befecskendezési nyomás növelésén túl a szabályozhatóság követelménye is megnőtt. Ez a hagyományos szabályozási feladatokon - mint pl. a terhelési jelleg kialakítása vagy az optimális befecskendezési kezdet beállítása - túlmenően kiterjed a befecskendezés tömegáramának, időbeni lefolyásának szabályozására is. Természetesen ilyen összetett feladat csak elektronikus szabályozással képzelhető el.

A befecskendezési rendszeren túlmenően léteznek még egyéb megoldások is, amelyeknek kedvező hatásuk lehet az emisszió csökkentésére. A teljesség igénye nélkül  ide sorolható például

Ezek mindegyikével csökkenthető az NOx-emisszió, a fogyasztás érdemi romlása nélkül.

A haszonjármű Diesel-motorok fejlesztése napjainkban jórészt a felsorolt módszerek alkalmazásával folyik. Ezek eredményeiről kívánunk némi ízelítőt adni, felhasználva a RÁBA-D10 típusú motorcsalád EURO3 változatának kifejlesztésére irányuló kísérletek eredményeit.

3. Motorfejlesztési eredmények az AUTÓKUT ban

Az EURO3 kivitelű RÁBA-D10 motorcsalád főbb ismérveit még 1993-ban fogalmaztuk meg. Ez is jelzi a fejlesztés szükséges időráfordítását és a megkívánt hosszú távú tervezést. Az akkori döntés alapján az alábbi fontosabb változtatásokat vezettük be.

A motorhoz új, négyszelepes hengerfejet alakítottunk ki, amely lehetővé tette a fúvókacsúcs hengerközépre történő beépítését (1. ábra). A két szívó- és két kipufogószelep által biztosított nagyobb effektív keresztmetszetek a 2. ábrán láthatók. Ezek természetesen kedvező hatást gyakoroltak a töltéscsereveszteségek csökkentésére és a légnyelés növelésére is. A szelepvezérlés megfelelő kialakításával, a korábbi szívószelepzárásssal az előnyöket nemcsak a magasabb, de a teljes fordulatszám-tartományban hasznosíthatjuk. A töltéscseremunka csökkentésében és a kitöltési tényező növelésében elért javulást a 3. ábra szemlélteti.

A BOSCH által kifejlesztett, elektronikus szabályozású, ún. Common-Rail befecskendezőrendszert választottuk, alapvetően két megfontolásból. Egyrészt az európai, de különösen a városi forgalomban előnyösnek látszott, hogy a beállítható befecskendezési nyomás lényegében független a motor fordulatszámától. Így a közepes és az alacsony fordulatszámoknál nagyobb nyomás érhető el, mint bármely más rendszerrel. Ez akkor is igaz, ha más rendszerek (mint pl. az ún. unit injector) nagyobb nyomásokat produkálnak a névleges fordulatszám közelében.

A másik lényeges érv volt e rendszer bevezetése mellett a szabályozás lehető legnagyobb mértékű flexibilitása. Itt nemcsak a befecskendezés kezdete állítható be minden megkötés nélkül a teljes működési tartományban, de széles tartományon belül szabadon megválasztható a befecskendezési nyomás és a befecskendezés időbeni lefolyása is. Ez utóbbi úgy érhető el, hogy az elektrohidraulikus működtetésű porlasztótű akár többször is kinyitható és lezárható egy-egy befecskendezés során. Ezzel lehetséges kismértékű előadag (ún. pilot injection) létrehozása, amivel a gyulladási késedelem alatt bejuttatott tüzelőanyag mennyisége korlátozható (4. ábra). Ennek egyik kézzel fogható eredménye a jellemzően kemény, kopogó égési zaj csökkenése. Az össz-zajszint csökkenése akár a 2-3 dB értéket is elérheti. Kedvezően használható az égés során keletkező káros anyagok - részecskeés NOx -emisszió - csökkentésére is. A 4. ábrán adott NOx-emissziós szint mellett elérhető fajlagos fogyasztások láthatók.

A főadag rövid idejű megszakításával kedvező hatású, ún. utóadag is létrehozható (5. ábra). (Ez nem azonos a mechanikai rendszereknél néha fellépő és káros "utóbefecskendezéssel".) Az utóadag megnöveli az égés hőmérsékletét annak befejező szakaszában, ezzel lehetővé téve a korom tökéletesebb oxidációját. Ennek kedvező hatása elsősorban az alacsony NOx-emisszió eléréséhez szükséges késleltetett befecskendezéskezdeteknél mutatható ki.

Az új befecskendezőrendszerhez természetesen módosítanunk kellett az égéstér geometriáját is. Az új nemcsak abban tér el az EURO2 változattól, hogy egytengelyű lett a hengerrel, hanem átmérője is növekedett. Erre a nagyobb befecskendezési nyomás adta meg a lehetőséget (megnőtt a sugarak behatolási mélysége). Az égéstér átmérőjének növelése jelentős szerepet játszott az NOx-emisszió csökkentésében is (6. ábra), amivel csökkenteni lehetett a légmozgás intenzitását, és ezáltal kedvezőbben szabályozni az égés sebességét.

Összehasonlítás céljából a 7. ábrán bemutatjuk az EURO2 változattal szemben elérhető koromcsökkentési lehetőségeket. Az ábrán a RÁBA-D10 UTSLL 190 E2 városi autóbusz motorváltozathoz viszonyítva látható az EURO3 változat füstemissziója. Mint az ábrából kitűnik, még a nagyon kedvező füstölési tulajdonságú E2 változathoz képest is nagyságrenddel csökkenthető a koromkibocsátás.
A koromkibocsátás ilyen mértékű csökkentése mellett a részecskeemisszióban egyre nagyobb súlyt kapnak a nem korom eredetű összetevők. A tervezett EURO3 előírásban a részecskeemisszió határértéke olyan alacsony, hogy önmagában a koromkibocsátás csökkentése már nem elég a kívánt szint eléréséhez. E feladatkörben a kenőolaj fogyasztásának csökkentésével lehet eredményre jutni.

A kenőolaj-fogyasztás csökkentése részben gyártástechnológiai fejlesztésekkel, másrészt a motorkonstrukció módosításával érhető el. Ennek keretében kiterjedt és aprólékos fejlesztőmunkával megnöveltük a forgattyúház és a forgattyús mechanizmus merevségét. Ez két szempontból is eredményt hozott. Egyrészt lehetővé teszi a motor égési csúcsnyomásának emelését, ami kedvezőbb hatásfok és nagyobb motorteljesítmény elérését teszi lehetővé. Másrészt a merevebb szerkezetnek köszönhetően kisebb a henger futófelületének deformációja, még a nagyobb égési csúcsnyomás, ill. a hengerfej-leszorító csavarok nagyobb erőbevezetése ellenére is.

A kiindulási változat hengerdeformációját a 8. a ábra, a merevített kivitelét pedig a 8. b ábra szemlélteti. Látható, hogy a merevítés hatására a hengerdeformáció a felére csökkent. A jobb alakhűség pedig lényegesen alacsonyabb olajfogyasztást  tesz lehetővé.

A hűtött kipufogógáz visszavezetésében rejlő lehetőségek is figyelemre méltóak. Ennek elsősorban az NOx-emisszió lehetséges csökkentésében van nagy szerepe. Vizsgálataink szerint az NOx-emisszió a fogyasztás lényeges növekedése nélkül is, mintegy 2 g/kWh-val csökkenthető. Természetesen a visszavezetés szabályozása és a visszavezetett gáz hűtésének megoldása növeli a motor gyártási költségeit, ezért ennek gyártásba vételéről még nem született döntés. Nagy lehetőségek rejlenek az üzemanyagban is. A részecskeemisszió csökkentésének igénye szükségszerűen kívánja meg az alacsony kéntartalmú tüzelőanyagokat. Tüzelőanyag-víz emulzióval pedig további 25-30%-os N0x-emisszió csökkentésre nyílik lehetőség. Ennek széles körű bevezetése azonban csak alapvetően nemzetközi megállapodások alapján lehetséges, hiszen a tüzelőanyag és a kúthálózat nemzetközi egységesítése nem elhanyagolható követelmény.

4. Összefoglalás

A Diesel-motorok fejlődése napjainkban is töretlenül folyik. A fejlődést az elkövetkező 10 évben döntően az emissziós előírások szigorodása határozza meg. A fejlődés alapvető eszköze az égésfolyamat tökéletesítése, amely a dekád második felében -azaz 2005 után- kiegészülhet a kipufogógáz-utánkezelés lehetőségeivel is.