A Mazda Skyactiv-D turbótöltője

A Mazda autóépítési koncepcióinak sorában, melyekkel általában meg tudták lepni a világot, az egyik átfogó a SKY- vagy SkyActiv-technológia. Ebben a motortechnika, mind a benzines, mind a dízelmotor forradalmi újításokat hozott. A fejlesztéstörténet a 2011. évi világpremiert megelőzően bizonyára akár közel egy évtizeddel is korábban kezdődött. Lapunk hasábjain nagy figyelmet fordítottunk a technikai részletekre, melyek mind a mai napig az élvonalhoz tartoznak. Cikkünk a Skyactiv dízelmotor feltöltési rendszerét ismerteti.

➊

A Skyactiv-D 2.2 (SH-VPTS) motort 2012 végétől a Mazda CX5, később a Mazda6 és a Mazda3 modellekbe építik be. A motornak a világ teljes motorkínálatában mind a mai napig egyedülálló jellemzője, hogy az Euro6-os előírásnak (egyelőre az NEDC-teszt szerint ismerjük az emissziós értékét) úgy tud megfelelni, hogy nincs szüksége nitrogén-oxid redukciós kipufogógáz utókezelésre. Például tárolókatalizátorra (LNT, NSC) vagy SCR-re.

➋

(Oxidációs katalizátort és részecskeszűrőt természetesen alkalmazniuk kellett.) NOx-redukció eredendően azért nem kell, mert a lánghőmérsékletet sikerült, elsősorban a motor kompresszióviszonyának 14:1 értékre való beállításával, jelentősen csökkenteni. A hőmérsékletet a külső és a belső kipufogógáz-visszavezetés is csökkenti. A kis kompresszióviszony-érték egyedül hidegindítási nehézséget okozhat, melyet több módon is kivédtek.

A mai gyors és nagy hőmérsékletű izzógyertyák mellett a szelepvezérlést is módosították: a motor szívó ütemében, az ekkor kicsit megnyitott kipufogószelepen keresztül meleg gázt tud a motor a kipufogóból visszaszívni. Az égésfolyamat módosításával pedig érdemi hatásfoknövelést, fogyasztáscsökkentést – 20%-ról is beszélnek – tudtak elérni. A motor feltöltési rendszere is a kompromisszumok nélküli motorigény-kielégítés jegyében született.

➌ x – motorfordulatszám y – motor-forgatónyomaték

A Skyactiv 2.2 dízelmotor sorozatgyártásának első két évében jelentkeztek problémák. Visszahívás történt a szelepvezérlés hibája, rendellenes kopása miatt. A koromszűrő regenerálásához szükséges késői befecskendezés motorolaj-felhígulást, olajszint-növekedést okozott. A gyártó mindkét problémát véglegesen megoldotta. Az utóbbi években a Skyactiv-D az egyik legmegbízhatóbb dízelmotor. A Skyactiv-D feltöltő rendszere, hasonlóan más gyártók megoldásához, egy kisnyomású (LP) és egy nagynyomású (HP) turbófeltöltőt tartalmaz.

Az LP töltő geometriai mérete nagyobb mint a HP töltőé, ezért az előbbit nagy, az utóbbit kis töltőnek is nevezzük ➊. A töltők azonosítói: LP töltő HONEYWELL MADE IN KOREA SH01-13700 LP 810357-0002 QKO_02808_KHP töltő ➋ HONEYWELL MADE IN KOREA SH01-13700 SYSTEM 810358-0002 HP 810356-0001 QKO_04156_K

➍ 1 – LP (kisnyomású), vagy nagy turbófeltöltő, 2 – HP (nagynyomású), vagy kis turbófeltöltő, 3 – wastegate, 4 – wastegate beavatkozó, 5 – wastegate-vezérlés EP-szelep, 6 – HP turbina by-pass szelep beavatkozó, 7 – HP turbina by-pass szelep beavatkozó EPszelepe, 8 – HP turbina by-pass szelep, 9 – HP kompresszor by-pass szelep beavatkozó EP-szelepe, 10 – HP kompresszor by-pass szelep beavatkozó, 11 – HP kompresszor by-pass szelep, 12 – vákuumszivattyú, 13 – szervodob, 14 – visszacsapó szelep, 15 – vákuumkamra, 16 – EGR-hűtő by-pass szelep, 17 – EGR-hűtő, 18 – EGR-szelep, 19 – szívóáglezáró szelep, 20 – közbenső levegőhűtő, 21 – DOC, 22 – DPF, 23 – légszűrő.

A két töltő összekötése és a változtatható gázút kapcsolása a töltők együttműködésének több módját is lehetővé teszi. Ezt nevezzük kapcsolt rendszernek, mely kettőnél több, akár 3 vagy 4 töltőt is magában foglalhat. A feltöltés mértéke ezáltal munkapontonként, jellegmező tartományonként szinte szabadon állítható be és a rendszer instacioner, tehát átmeneti üzemállapotokban tanúsított viselkedése is kedvező. Ez a feltöltési mód az utóbbi évtizedben kezdett elterjedni. A Skyactiv feltöltés, a töltők együttműködését illetően, alapvetően 5 motorterhelési tartományra osztható fel ➌:

1.  motorindítás, motor-felmelegedési tartomány,
2.  kis motorfordulatszám-tartomány,
3.  közepes motorfordulatszám-tartomány,
4.  nagy motorfordulatszám-tartomány,
5.  nagy motorfordulatszám- és motorterhelés-tartomány (wastegate vezérlő tartomány). 

➎

A töltők kapcsolásának tartományok szerinti módját, a vezérlőszelepek álláshelyzetét a rendszer szerkezeti elemeinek megismerése után tudjuk igazán megérteni. A teljes rendszer vázlatának bemutatásával kell kezdenünk ➍. Képeskönyvünk a vázlatrajzi elemeket a tényleges szerkezeti részletekkel rendezi össze, így a gyakorlatban – reméljük – gyerekjáték lesz az azonosítás. Szükség lehet erre például akkor, amikor a diagnosztika valamelyik beavatkozót „bepanaszolja”, nekünk pedig – kiváló találati biztonsággal – meg kell találnunk.

➏

A motor oldalán az álló elrendezésű töltőegységen két gázbemenetet és két gázkimenetet találunk. Bemenetek:

➐

• A kipufogógáz-bemenet a hengerfejhez csatlakozik. Az EGR-leágazás ennél előbb van, a hengerfejben lévő gyűjtőcsövekből kapja a gázt, az egyik kivezetés az EGR-hűtőhöz (17, 18) vezet, a másik annak by-pass ágához (16) megy. 
• A töltőegységnek egy levegőbemenete van: a légszűrőtől (23) jövő csövet fogadja. Kimenetek:
• A komprimált levegő egy csatlakozáson lép ki és jut el a közbenső levegőhűtőbe (20). 
• A töltőegységnek egy kipufogógáz-kimenete van, ahhoz a motor közeli kipufogógáz-reaktorhoz (21, 22) csatlakozik. 

Az ➎ fénykép a töltő kipufogógáz bemeneti és kimeneti nyílását mutatja. A vákuumos beavatkozók és az EP (elektropneumatikus) mágnesszelepek vákuummal történő ellátásához összetett vákuumcsövezés áll rendelkezésre. 

➑

TÖLTŐNYOMÁS-VEZÉRLÉS BEAVATKOZÓI

➒ wastegate szelep. 1 – wastegate szelep beavatkozó (vákuumcella), 2 – wastegate szelep, 3 – EP-szelep

A turbótöltők közül csak a nagy töltőnek van saját gázszabályozása, ez a kisnyomású töltő wastegate szelepe ➏. A kis töltőnek nincs saját fordulatszám-szabályozása, a turbinára rávezetett gáz mennyiségét változtatják a 8-as szeleppel. A töltőnyomás mindenkor kívánt értékének beállításához az alábbi szelepek ➐ szolgálnak: – wastegate (3), – HP turbina by-pass szelep (8), – HP kompresszor megkerülő szelep (11-tétel, ➑ ábra).

➓ 1 – EP-szelep, 2 – HP turbina by-pass szelep, 3 – vákuumcellás beavatkozó, 4 – útadó

Míg a wastegate szelep (3) és a HP turbina by-pass szelep (8) hajtja végre a töltőnyomás-vezérlést a kis és a nagy turbófeltöltő turbina oldalán, a HP kompresszor megkerülő szelep kapcsolja a töltőüzemet a kompresszor oldalon. Így vagy sorba kötött kétturbós üzem, vagy egytöltős turbófeltöltés valósul meg. 

WASTEGATE SZELEP

➊ táblázat

A wastegate szelep (3) nyitja és zárja a nagy turbófeltöltő turbina oldali megkerülő (by-pass) ágat, hogy korlátozza és szabályozza a töltőnyomást. A rendszerelemek elhelyezkedését a ➒ ábrán látjuk. A beavatkozó (4) rugó terhelésű membrános vákuumcella. Amikor a beavatkozóra nem hat a vákuum, a szelep nyitva van. A vákuumot EP-szelep (5) vezérli a motorECU-ból érkező jel alapján. 

⓫

HP TURBINA BY-PASS SZELEP

A szabályozó szelep (8) nyitja és zárja a kis turbófeltöltő turbina oldali megkerülő ágát, hogy szabályozza a kipufogógáz mennyiségét a HP turbinán keresztül és ezáltal a kis turbófeltöltő által létrehozott töltőnyomást. A rendszerelemek elhelyezkedését a ➓ és a ⓫ ábrán látjuk. A szelepet egy rugós terhelésű vákuumcella működteti (6). Amikor a beavatkozóra nem hat a vákuum, a szelep nyitva van. A vákuumot EP-szelep (7) vezérli a motorECU-ból érkező jel alapján. A szelep nyitási helyzetét, főképpen a közepes tartományban (részben nyitva/zárva), útadó érzékeli, mely észleli a beavatkozó rúd pozícióját. 

HP KOMPRESSZOR MEGKERÜLŐ SZELEP

A HP kompresszor megkerülő szelep (11) alapvetően a turbófeltöltők együttműködését kapcsolja, az egyturbós üzemet, ahol a beszívott levegőt csak a nagy turbófeltöltő sűríti, vagy a kétturbós, sorba kötött feltöltést, ahol a beszívott levegőt elősűríti a nagy turbófeltöltő és tovább sűríti a kis turbófeltöltő. A rendszerelemek elhelyezkedését a ➑ és a ⓬ ábrán látjuk.

⓬ 1 – beavatkozó (vákuumcella), 2 – HP kompresszor megkerülő szelep, 3 – EP-szelep

Ez a kompresszor megkerülő szelep nyitásával vagy zárásával történik. Amikor kinyílik a megkerülő, az elősűrített levegő elkerüli a kis turbófeltöltő kompresszorát (egyturbós feltöltés). Mikor a megkerülő bezár, az elősűrített beszívott levegő áthalad a kis turbófeltöltő kompresszorán, ahol további sűrítésre kerül sor (kétturbós feltöltés). A kompresszorszelepet egy rugós terhelésű vákuumcellás beavatkozó (10) működteti.

A vákuumot EP-szelep (9) vezérli a motorECU-ból érkező jel alapján. Amikor a beavatkozóra nem hat a vákuum, zárva van a kompreszszor megkerülő szelep. A szelepek funkciójának ismeretében tekintsük át a szelepeket üzemi tartományok/működési állapotok szerinti bontásban (➊ táblázat). Motor indítás/részleges felmelegedési tartomány A DOC (oxidációs katalizátor) bemelegedésének gyorsításához hideg motorindítás után, vagy mielőtt befejeződne a motor-felmelegedés, a szabályozó szelep és a wastegate szelep teljesen kinyílik.

⓭

Ez lehetővé teszi, hogy a kipufogógáz keresztülhaladjon a turbófeltöltőn és bejusson az oxidációs katalizátorba anélkül, hogy a kipufogógáz jelentősen veszítene hőmérsékletéből a kis és a nagy turbófeltöltő turbináin keresztül. Ezzel egy időben a HP kompresszor megkerülő szelep kinyílik, hogy csökkentse az ellenállást a beszívott levegőáram számára a kis turbófeltöltő-kompreszszor megkerülésével. 

Kis motorfordulatszám-tartomány Kis motorfordulatszámnál minden szelep teljesen zárt. A kipufogógáz-áramlás hajtja mindkét turbófeltöltőt. A kis és a nagy turbófeltöltők sorba kapcsoltak. A gázutat a ⓭ ábrán jelöltük. Mivel a kipufogógáz mennyisége viszonylag csekély, a nagy turbófeltöltő által létrehozott töltőnyomás szintén kicsi. Mivel a turbófeltöltők ebben a tartományban sorba kötve üzemelnek, az elősűrített levegőt tovább sűríti a kis turbófeltöltő kompresszora.

⓮

A ⓮ ábrán a kompresszorok közbenső hűtő felé vezető levegőkilépő csonkját látjuk. Ebben találjuk a HP-töltő kompresszor megkerülő szelepet ➑. Ha ez a szelep zárva van (a tányérszelep lezárja a ⓯ ábrán látható 3-as csatornát), akkor az LP-kompresszorból a levegő a HP kompresszorába jut. Az így másodszor is sűrített levegő a ⓯ ábra 2-es csatornáján át jut a közbenső hűtőbe.

Kialakításának köszönhetően a kis turbófeltöltő képes megfelelő töltőnyomást létrehozni és jó dinamikát eredményezni már csekély kipufogógáz-mennyiségnél is. Közepes motorfordulatszámtartomány Közepes motorfordulatszámokon a kompresszor megkerülő szelep zárva marad, hogy mindkét turbófeltöltő sorba kapcsolva maradjon. A wastegate szelep zárva marad, míg a HP turbina megkerülő szabályozó szelep részben nyitja/zárja (szabályozza) a kis turbófeltöltő turbina oldali megkerülőjét.

⓯

A szabályozó szelep lehetővé teszi a töltőnyomás folyamatos módosítását a kis és a nagy turbófeltöltő között, aminek a révén elkerülhető a turbólyuk. Nagy fordulatszám-tartomány Nagy fordulatszámokon, amikor nagy mennyiségű beszívott levegőre van szükség, a kompresszor megkerülő szelep nyit, hogy csak a nagy turbófeltöltő legyen használatban a töltőnyomás létrehozásához (egyturbós üzem). A kis turbófeltöltő megkerülésével lecsökken az áramlási ellenállás a nagy turbófeltöltő szállítása előtt.

Az LP turbófeltöltő turbina oldalán a wastegate zárva marad és a HP turbina szabályozó szelep teljesen nyitva, azért, hogy a teljes kipufogógáz-mennyiséget felhasználja. Nagy motorfordulatszám/nagy motorterhelési tartomány Nagy motorfordulatszámon és nagy motorterhelésnél a töltőnyomás túllépheti a határértéket. Annak érdekében, hogy megelőzzük, hogy a töltőnyomás kiemelkedően nagy legyen, a wastegate szelep nyitja (szabályozza) a nagy (LP) turbófeltöltő turbina oldali megkerülő ág gázáramát, hogy megfelelő módon korlátozza/szabályozza a töltőnyomást.
 

A cikk megírásához nyújtott segítségéért köszönetet mondunk Kincses Istvánnak és a Mazda Motor Hungary Kft. vezető oktatójának, Kakas Péternek.