Autotechnika szakfolyóirat
Autotechnika szakfolyóirat
2023. január | Olvasson bele!

Tanuljunk újdízelül!

hirdetés

A dízelmotor jövőjéről – az M1-es kategóriában a kicsikről és a nagyokról egyaránt – ma sok szó esik. Ennek alapját a dízelemissziós törvényszegések és az e motor iránti szükség adja. Az első, sajnálatos tény. Az azonban bizonyosság, hogy a dízelmotor kipufogógáz-tisztítása minden belátható jövőbeni előírásnak meg tud felelni, igaz, ennek ára van. A másik, amelyik egyelőre maradásra bírja a dízelt, a személygépkocsiknál, az új Otto-motoroknál is kedvezőbb fogyasztása. A 2020-ban életbe lépő gyártói flottafogyasztást dízelek nélkül – ma úgy látszik – a gyártók teljesíteni nem tudják. Kevés még az alternatívát adó elektromos, hibrid vagy hidrogéncellás gépjármű. Az előírások N1 kategóriában most szeptemberben szigorodnak. 

Az M1-ben pedig már elfogadott az RDE és a WLTC. Az RDE (Real-Driving Emissions) reális városi, elővárosi menetállapotokra terjeszti ki a fedélzeti emissziómérést, a WLTC pedig szigorúbb, azaz nagyobb motorterhelést ad a görgőspadi vizsgálatokhoz. Mindehhez szigorodik a fedélzeti felügyeleti rendszer, az OBD is. Egy további indok a dízelek megtartásáért, a vevői igény: sokan keresik az erős, az autónak fokozott dinamikát adó dízelt, a prémiumszegmens SUV modelljeiben pedig szinte kiválthatatlan. Mit tehetnek a gyártók? Fejlesztenek.

Az Audi V8-TDI motorja 1999-ben debütált, tehát már egy régen létező dízel (a korábbi V8-asok lökettérfogata 3,3; 4,0 és 4,2 liter volt), melyet most alapos revízió, szinte teljes áttervezés alá vetettek, új generációnak kellett születnie. A cél a dinamikus viselkedés további erősítése és a fogyasztás, valamint a szennyező emisszió csökkentése volt. Ez utóbbi minden újonnan hatályba lépő és már ismert, új, a közeljövőben hatályosuló követelménynek való megfelelést jelent. Az új Audi V8-TDI, melyet csak Győrben  gyártanak, számos újdonságot,köztük világújdonságot is tartalmaz:

– a motor ún. HSI (Heisse Seite innen) építésű, tehát a meleg oldal, a kipufogó és a turbótöltők a V-motor ágyában foglalnak helyet,
– a turbótöltés regiszter kapcsolású, aktív és passzív töltőből áll,
– kipufogószelep-működés kikapcsolás (dízelmotoron először alkalmazzák az AVS-technikát),
– szívószelepek emelése változtatható (AVS-technika),
– villanymotor-hajtású, centrifugál kompresszor (EAV) segít rá a turbótöltő levegőszállítására,
– 48 V-os részhálózat, Li-ion akkumulátor,
– kétfokozatú NOx-redukálás.

A HSI építésmód nagy helyi hőmérsékletet, hőtorlódást eredményez, a gázhőmérséklet eléri a 860 °C értéket, ezért a kipufogó gyűjtőcső és a turbinához vezető csőszakasz kialakítása komoly mérnöki kihívás mind konstrukcióban, mind anyagválasztásban. A hideg-meleg-hideg ciklusok a rövid csőszakaszokon nagy hőtágulást és ebből eredő feszültséget, valamint melegszilárdsági és korróziós problémákat okoznak . Más motorokon megfigyelték, hogy a kettősfalú, légréteggel hőszigetelt kipufogócső belső csöve korrodál, a csőfalról részek válnak le, melyek a turbótöltő meghibásodásához vezetnek. A gyűjtőcsövek acélöntvények, a hőtágulást kompenzáló csőszakaszok veszik fel, a csatlakozók Inconel anyagból készülnek.

A forgattyúház féregszerű öntöttvas (GJV450), anyagösszetétele: C 3,6-3,8; Si 2,1-2,5; Ce 4,4-4,7; Mn 0,2-0,4; S 0,005-0,022; Mg 0,006-0,014; CeMM 0,01-0,03; Cu 0,7-1,0; Sn 0,08- 0,10. A GJV450 anyag kisebb falvastagságot tesz lehetővé, így tudták a motorblokk tömegét csökkenteni.

ELEKTROMOS HAJTÁSÚ KOMPRESSZOR

„Levegőt, sokat és gyorsan” – volt a tervezők célkitűzése. A motor igazi újdonságát a feltöltőrendszer adja. A két turbótöltő ma már igazán nem ritkaság, de annak ún. regiszter kapcsolása már nem gyakori. Mindehhez párosul a világon elsőként egy elektromos hajtású radiális (centrifugál) kompresszor. A regiszter kapcsolás azt jelenti, hogy egymás után kapcsolódik be a két töltő a szállításba. (Régebben születetteknek: a regiszter (kéttorkú) karburátor azt jelentette – ladások előnyben –, hogy az első torok egy ideig egyedül képezi a keveréket, majd a terhelés és a fordulatszám függvényében nyit rá a második torok, és utána ketten viszik tovább az autót.)

Az elektromos hajtású töltő, az EAV (elektrisch angetriebene Verdichter) centrifugál kompresszor, majdnem olyan, mint a turbótöltő kompresszora. A lényege, hogy nagyon gyorsan „hadrendbe” álljon. Maximális fordulatszáma 70 000 min-1, de ennél a gyorsulása ejthet ámulatba: 260 000 fordulatszám- növekedésre képes egyetlen másodperc alatt, tehát a max. fordulatszámát kb. 250 ms alatt éri el. A villanymotor névleges teljesítménye 7 kW. A tápfeszültséget a fedélzeti 12 V-os hálózatról táplált 48 V-os elkülönített hálózatból kapja. Ennek energiatárolója 10 Ah-s Li-ion akkumulátor. A 48 V-ot DC/DC átalakító hozza létre. A 12 V-os hálózat generátora 200 amperes. A feltöltési körben helyét ábráink mutatják. Az EAV csak a motor indulásánál, kis fordulatszámról történő intenzív gyorsításnál üzemel. Az irányítóegység tudja, hogy milyen töltőnyomásnak kell lennie és mi a tényleges, ennek megfelelően kapcsolja be, illetve ki az EAV-t. Szokták mondani, hogy ezzel a megoldással a turbólyukat tüntetik el. Ez talán még részbensem igaz, hiszen a turbósok hajdanvolt megtorpanása lepadlózott gyorsításnál már régen a múlté, ilyen viselkedéssel autót ma eladni nem lehetne. Inkább arról van szó, hogy a nagy korai nyomatékért még több levegő kell, mint amit ebben az üzemi tartományban a turbótöltő szállítani tud. Az új V8-TDI már 1000-es motorfordulaton eléri a 900 Nm nyomatékot.

A REGISZTER TURBÓTÖLTÉS

Nem hallottunk még olyan turbótöltő megnevezést, hogy aktív töltő és passzív töltő. Regiszter kapcsolási rendszerben az aktív töltő mindig forog (mono-turbó üzem). A turbina a kipufogógázt valamennyi henger egyik kipufogószelep-csatornájából, gyűjtőcsőbe egyesítve kapja, mindösszesen nyolc csatorna két gyűjtőcsöve egyesül a turbinaház előtt. A hengerek másik kipufogószelepét zárva tartják. A zárást az ismert AVS-technika (hüvelyes bütyökváltó) vezérlés teszi lehetővé: van egy bütykös eleme és egy nullkörös eleme. Ha nullkörösre áll át, a szelep nem nyit ki. Ismerjük ezt az Audi/VW hengerlekapcsolási technikából.

hirdetés

Ha be kell lépnie a passzív töltőnek, akkor az AVS kinyitja a másik kipufogószelepet is. Így az is nyolc hengertől kap kipufogógázt. A sima üzembeállás végett először csak két henger kipufogószelepét nyitják ki, ez felpörgeti a töltőt, majd csatlakozik hozzá a fennmaradt 6 henger kipufogógáza is. A töltőlevegő egy visszacsapó szelepet nyitva ömlik az aktív töltő csatornájába, majd az így egyesült gázáram a párhuzamosan kötött közbenső hűtőkön (intercoolerek) áthaladva jut a szívószelepekhez. A két töltő együttes üzemében a motor töltőnyomása eléri a 3,4 bar nyomást. A szívószelepeknél is találunk AVS-beavatkozót. A szívószelepek nyitva tartása lehet a kisebb bütyökkel 163 °ft, a nagyobbal 185 °ft. A kis emelésű és nyitás szögtartományú bütyök a motor kis fordulatszámán és terhelésénél dolgozik.

Itt térjünk még egy szóra vissza az EAV-re! Az EAV az aktív turbótöltővel van sorba kötve. Az aktív töltőből a levegő átmegy az egyik közbenső hűtőn és ezután kerül az elektromos hajtású kompresszorba. A töltőlevegő mind a nyolc hengert táplálja. Az EAV-vel, padlógáznál a maximális, 3,4 bar töltőnyomást a motor 1 másodperccel előbb éri el, mint EAV nélkül. Ez járműgyorsításban azt jelenti, hogy a gyorsítás első 2,5 másodpercében az autó (SQ7) előnye az EAV nélküli változathoz képest 2,5 m. Az EAV az indulástól kezdve kb. 1,2 másodpercig üzemel. Teljes motorterhelésű, azaz padlógázas gyorsításnál a töltőnyomás 1500 min-1 fordulaton éri el a 3,4 bart és ekkor már 900 Nm a forgatónyomaték. Állandósult üzemállapotban már 1000 min-1 fordulaton rendelkezésre áll a maximális nyomaték. A passzív turbótöltő 2200 min-1 fordulaton kezd bekapcsolódni és kb. 2700 min-1 fordulattól már bi-turbó üzemben dolgozik a feltöltés. A motor 3750 min-1 fordulatszámon már leadja a névleges teljesítményt egészen 5000 min-1 fordulatig. A leszabályozási fordulatszám 5200 min-1.

A motortechnikában igencsak szokatlan a fajlagos fogyasztási jellegmező alakulása is. Általában a jellegmező egy minimum ponttal, ennek megfelelően azon a ponton a legnagyobb effektív hatásfokkal rendelkezik. A V8-TDI fajlagos fogyasztási, ún. kagylódiagram jellegmezőjében, a regiszter feltöltésnek köszönhetően, két minimum pontot találunk. Az egyiknél a minimális fajlagos fogyasztási jellegmező értéke <205 g/kWh (effektív hatásfok kb. 41%), a másiknál <213 g/kWh. Ez egyben azt is jelenti, hogy szinte a teljes jellegmezőben kedvezőbb a fogyasztás az elődmotornál, van, ahol 30%-kal is.

MOTORSZERKEZETEK

A motor termomenedzsmentje az egyes szerkezetek üzemi hőfokát nagyon pontosan képes beállítani. A motorhűtés, illetve a részegységek hűtése is, a szerkezet hőterhelés határain belül, a motorfogyasztásnak alárendelt. A hengerfej és a blokkhűtés szétválasztott, a motor bemelegedési fázisában a blokk vízáramát lezárják, a motorolajhűtőn átfolyó hűtőközeg áramát is korlátozzák. A többi hűtendő egységben van hűtőfolyadék-keringetés (váltóolaj-melegítés, hengerfej, EGR-hűtés, turbóhűtés). A hengerfej hűtését is szétválasztották: a hengerfejsíkhoz közeli részek hűtése intenzívebb a felső terek hűtésénél. Az olajszivattyú szárnylapátos, folyamatos szállítás- és nyomásszabályozású. 

E két közeg térfogatáram-, nyomás- és hőmérséklet-szabályozása már nem újdonság a motortechnikában, így erre itt nem térünk ki.

A common rail gázolaj-befecskendezés maximális railnyomása, az Audinál először, eléri a 2500 bar értéket. A piezoinjektor átfolyási értéke nagyobb lett (400-ról 430 ml/30 s). A kétdugattyús nagynyomású CR-szivattyú lökete 7,5 mm. A vezértengely lánchajtású, melyet a lendítőkerék oldalra helyeztek. A CR-szivattyú hajtás is láncos, a vezértengelyhajtástól függetlenített. A vezértengely felső lánckerekei (vezértengelyenként egy-egy) tűgörgős csapágyazású közbenső fogaskereket forgatnak. A közbenső kerék hajtja az egyik vezértengely fogaskerekét (itt jön létre a 2:1 áttétel) és az hajt át a másik vezértengelyre. A fogkapcsolódási zajcsökkentés végett a fogaskerekek osztottak.

EMISSZIÓTECHNIKA: A JÖVŐNEK IS MEGFELEL

A jövő követelményeinek is megfelelő kipufogógáz-tisztítás, azaz az emissziótechnika az Audi V6-TDI motorjánál már alkalmazott rendszer továbbfejlesztése. A V8-as motor maximális kipufogógáz-árama 1600 kg/h, ehhez kell a katalizátorok térfogatát illeszteni. A turbótöltők turbinájából kiömlő kipufogógáz közvetlenül jut a NOC-katalizátorba. Tehát a motornak csak egyágú tisztítórendszere van, nem úgy, mint a klasszikus V-motoroknak, ahol hengersoronként találunk egyet-egyet. Ez az elrendezés számos előnnyel jár, a költsége is kisebb, gondoljunk csak a kevesebb jeladókra. A NOC egy oxidációs katalizátor (DOC) és egy NSC, tehát nitrogén-oxid-tároló katalizátor egyesítése, térfogata 2,37 liter. Kis motorterhelésnél a NOC szolgál a nitrogén-oxidok semlegesítésére és az oxidációra. A NOC–NSC semlegesítése hagyományos eljárással történik, ha megtelt, a dízelmotor keverékét kell rövid időre bedúsítani. Nagyobb motorterhelésnél a NOx-redukciót az SCR veszi át. Képeinken jól látható az AdBlue injektor elhelyezése.

Az SCR egyesített a koromszűrővel, tehát a csatornák DPF-kialakításúak, térfogata 5 liter. Mindkét tisztításhoz szükséges katalizátorokat tartalmazza a gázáteresztő vázkerámia. Szükség van még egy oxidációs (német megnevezéssel Sperr) katalizátorra is a gépkocsi hasa alatt, térfogata 1,7 liter. Ez oxidálja a korom kényszerregenerálásánál képződő szén-monoxidot (CO), a „túlcsorduló” ammóniát (NH3) és a NOC-ból esetlegesen kilépő kénhidrogént (H2S). Az emissziótechnikai rendszer jeladói számosak. Nézzük meg, hogy egy, az USA-ba menő modellnél hányféle lehet! Kellenek gázhőmérők, szélessávú dízel lambda-szondák, NOx-szonda, HC-szonda, nyomásmérők és diagnosztikai célú részecskeérzékelő szonda, magyarul koromszonda. Ma minden dízelmotorgyártó messze előre néz, konstrukcióiknak meg kell felelniük az ismert, hamarosan életbe lépő előírásoknak, vissza kell szerezniük a dízel becsületét, meg kell mutatniuk a dízelmotor kiváló tulajdonságait. A születő, ez évben már gyártásba kerülő dízelmotorok új generációt képviselnek, nekünk pedig meg kell tanulnunk újdízelül.


Kapcsolódó dokumentum:


Tanuljunk%20ujdizelul


Tetszett a cikk?

hirdetés

hirdetés