Delphi Direct Acting

A 2000 baros rendszer befecskendező szelepében a működtető piezooszlop mozgása közvetlen hatást gyakorol a tűszelep mozgására. A hatásmechanizmusban tehát az aktuátor és szeleptű között nincs külön szervo- vagy vezérlőszelep, melynek mozgatása és így egy-egy tüzelőanyag-csatorna elzárása vagy nyitása következtében jönne létre, vagy fejeződne be a befecskendezés. A szeleptű-nyitás mértékének rendkívül pontos szabályozhatósága és kontrollja segítségével a befecskendezésre kerülő legkisebb tüzelőanyag-mennyiség (1 mg) is kiválóan reprodukálható, mely az injektor élettartama során állandó értékű marad.
A Delphinél a common rail rendszerek két fő családba sorolhatók. Az egyik a Multec család, amely mágnesszelep működtetésű injektorokat tartalmaz (DFI1-család). A másik pedig az ún. közvetlen működtetésű (Direct-Acting-Common-Rail-System, DFI3) rendszer, mely az injektor előbbiekben említett közvetítő-, vezérlő elem nélküli hatásmechanizmusáról kapta a nevét. A különböző típusok kifejlesztésénél fontos célul tűzték ki a mérnökök az egyes rendszerek külső egyezőségét, azért, hogy a DFI1-et és a DFI3-at is szerelni akaró autógyártóknak ne kelljen két külön hengerfejet tervezniük és gyártaniuk egy adott motortípushoz. (1. ábra)

1.ábra: 1. piezo injektor 2. mágnesszelepes injektor 3. nyomásérzékelő 4. visszafolyó ág az injektortól 5. közös-, nagynyomású-, gyűjtőcső 6. nyomásszabályozó szelep 7. visszafolyó ág csatlakozó 8. hozamszabályozó szelep 9. tüzelőanyag-hőmérséklet érzékelő 10. tüzelőanyag hozzávezetés 11. tüzelőanyag-szűrő 12. nagynyomású szivattyú 13. visszafolyó ág a tüzelőanyag-tartályba 14. sugárszivattyú 15. sugárszivattyú 16. előszállító szivattyú 17. tüzelőanyag-tartály
 

A közvetlen működtetésű befecskendező-rendszer

A 2000 bar maximális befecskendező nyomású rendszer sajátossága, hogy az injektortól nincs visszafolyó tüzelőanyagág, azaz a befecskendező szelephez érkező összes nagynyomású gázolaj befecskendezésre kerül. Mindezzel körülbelül 1 kW teljesítmény-megtakarítást értek el. További előnye a visszafolyás nélküli rendszernek, hogy nincs szükség tüzelőanyag-hűtőre. Természetesen egy új rendszer fejlesztésénél ma már nem lehet nem célul kitűzni a tüzelőanyag-fogyasztás- és a károsanyag-kibocsátás csökkentését. A rendszer következő tulajdonságaival értek el fogyasztás- és emissziócsökkentő hatást:
• gyors szeleptű-nyitás és –zárás
o 3x gyorsabb, mint a mai common rail injektorok,
• nagyobb effektív befecskendezési középnyomás, azaz kis fordulatszámokon is nagy fajlagos (időre vetített) befecskendezési mennyiség (4.1. ábra)
• 7 vagy több befecskendezés egy ütem alatt (4.3. ábra)
o kis „befecskendezési időtávolságok”
o nincs egymást befolyásoló hatásuk az egyes befecskendezéseknek, mivel az injektor belső egyben gázolajtere nyomástárolóként is szolgál,
o a motorhoz és a járműhez programozható ECU platform,
• nincs ciklusonkénti befecskendezett mennyiség-ingadozás,
• nincs tüzelőanyag-visszafolyás
o CO2 emisszió-csökkentő hatás,
o Start-Stop automatikának kedvező ez kedvező kialakítás, mivel nem kell várni a motor rövid leállítását követően az újbóli nyomásfelépülésre.

A piezós, közvetlen működtetésű befecskendező szelep

Az indirekt vezérlésű befecskendező-szelepeknél a működtető elemek (mágnesszelep vagy piezoszlop) csak a vezérlőszelepet működtették. A direkt, azaz közvetlen vezérlésű injektornál a piezo elemre kapcsolt feszültség hatására bekövetkező hosszváltozás a tűt hatásmechanizmusában közvetlenül mozgatja.

2. ábra: a mágnesszelepes és a közvetlen működtetésű piezós injektor sematikus működési elve

Több, különböző fejlesztési irány közül az ún. „de-energised to inject” (deenergizálva befecskendez) változat bizonyult a legjobbnak, melynek lényege az, hogy a szeleptű nyitása a piezooszlop alapméretére való visszaállításával valósítható meg. A befecskendező szelep akkor zár, ha a piezooszlopra feszültséget kapcsolunk, és az a záráshoz szükséges mértékben megváltoztatja hosszát, és az általa kifejtett erő következtében a szeleptűt az ülékére szorítja. Az injektor belső-, nagy furatában, azaz a piezooszlop házában nagy nyomású gázolajtér található, mely űrmértékéből adódóan nyomástárolóként („mini-rail”) is funkcionál. Ennek a térnek köszönhetően vált a visszafolyó ág elhanyagolhatóvá. A nyomástároló szeleptűhöz való közelsége miatt - a főként befecskendezés kezdetekor - jelentkező nyomáshullámok gyakorlatilag megszűnnek. Ennek hatására a szeleptű mozgatása még pontosabban vezérelhető és a befecskendezett mennyiség még pontosabban szabályozható.
A tűszelep elmozdításához kétlépcsős erősítő láncot alkalmaznak, melynek forrása a rail-nyomásl. Az első lépcsőben a szeleptű és a piezo-aktuátor mereven kapcsolt, azért, hogy az injektor nyitásához szükséges áramfelvétel kis mértékű tudjon maradni. Amikor a befecskendező szelep nyitott állapotba kerül, akkor a második erősítő lépcsőben hidraulikus áttétellel segítik a tű további nyitását. Ennek célja az, hogy a maximális tűnyitáshoz szükséges lökethossz megvalósítása érdekében ne kelljen a piezoelem löketét túl nagyra növelni. Az első erősítő fázisban a szeleptű közvetlenül, gyorsan és nagy erővel zárható. Ennek köszönhetően a pilot- és utó befecskendezésekkor szükséges, rövid ideig tartó, nagyon kis mennyiségű tüzelőanyag-befecskendezés megvalósítható.

3. ábra: a közvetlen működtetésű piezós injektor belső felépítése

A szelepülék kúpszögét a mágnesszelepeshez képest 60°-ról 90°-ra növelték, melynek hatására minimális szintre csökkentet a nyitáskor és záráskor jelentkező, a tű és az ülék között keletkező fojtó hatást, valamint a kúpszög megváltoztatásával csökkenteni lehetett az ülék maximális átmérőjét is.

Az új nagynyomású szivattyú

Az új szivattyú maximális befecskendező nyomását 1600 barról 2000-re növelték. A piezós rendszerhez illesztett szivattyú (DFP3.4) 0,5…0,7 cm3 gázolajat szállít fordulatonként. A DFP3.4 két dugattyú segítségével állítja elő a nagy nyomást. A szivattyú hozamszabályozóval van ellátva, melynek feladata annak a gázolajmennyiségnek a pontos beállítása, amelyet a szivattyúnak feltétlenül komprimálnia kell a befecskendezéshez. A dugattyúk mozgatására a hagyományos, excenteres csapágyazású, emelőgyűrűs mechanizmus szolgál.

A „mini-rail” nyomástároló hatásának és a gyors és közel fojtás nélküli szeleptű nyitás- és zárásnak köszönhetően a szóráskép független a rail-nyomástól. Egészen kis befecskendezési nyomásokon is megfelelő szóráskép alakul ki. (4.2. ábra)

4.1 Ábra

4.2 Ábra

4.3 Ábra

A szeleptű gyors zárásának és az ülék új kialakításának köszönhetően az utolsó pillanatban befecskendezett gázolaj-mennyiség is tökéletesen porlasztva, nagy behatolási mélységgel jut az égéstérbe. Ez a részecskekibocsátás és a CH-emisszió szempontjából is rendkívül kedvező tulajdonság. A „mini-rail” hatására közel állandó befecskendezett mennyiség alakul ki főbefecskendezéskor, a pilot- és a főadag közötti időkésedelemtől függetlenül.
A befecskendezés fenti újításainak köszönhetően és a nagymennyiségű visszavezetett kipufogógáz miatt a motor rendkívül kis nyers emissziójú.
A befecskendező rendszer mágnes-, illetve piezoaktuátoros injektorokkal elsőként a Mercedes újgenerációs 4 hengerű dízelmotorjaiban kerül alkalmazásra. A kisebb teljesítményű motorokat mágnesszelepes-, a 150 kW teljesítményűeket pedig piezo-elemes rendszerrel szerelik majd, elsőként a C-osztályba és a Sprinterekbe.