A sorozatlövő

A tüzelőanyagsugár-vezérelt rétegezett elégetési eljárás vagy egyszerűbben a sugárvezérelt elégetési eljárás megvalósítása az Otto-motorokban, a befecskendezés és a gyújtás közötti rövid időtartam, és a gyújtógyertya környezetében erősen változó keverékkoncentrációk miatt igen nagy követelményeket támaszt a gyújtásrendszer elé. A következő leírás megpróbálja bemutatni a Delphi új áramvezérelt többszörösen gyújtó rendszerét (1. rész), valamint ennek alkalmazását a rétegezett keverékű üzemben sugárvezérelt égésfolyamat során (2. rész).

Az eddig ismert technikák közül, a sugárvezérelt elégetési eljárás jelenti a legnagyobb lehetőséget a fogyasztás csökkentésére az Otto-motorok számára. Azért, hogy ezt a célt a relatív rövid, a keverékképzésre rendelkezésre álló idő ellenére a legjobban ki tudják használni, a gyújtórendszert úgy kell tervezni, hogy a tüzelőanyagsugárképzés és a keverékképzés gyengeségeit kiküszöbölje, és a beépített komponensekre vonatkozó tűrési követelményeket lecsökkentse. Egyéb gyújtórendszerek (pl. nagyenergiájú kondenzátoros, váltakozófeszültségű) azzal együtt, hogy költségesek, nagy tömegűek, nagy térfogatúak, habár általuk létrehozott gyújtóenergia igen nagy, és az ívégés tartam igen hosszú, nem vagy nem elegendően tudnak bizonyos funkciókövetelményeket teljesíteni, amelyeket a fogyasztásoptimalizálás támaszt.

Többszörösen gyújtó vagy többszikrás gyújtórendszerek

A többszikrás rendszereket (Mehrfachzündsystem, MFZ) alapvetően két részre lehet felbontani. Vannak idővezérelt és áramvezérelt rendszerek. Az idővezérelt rendszerek nem veszik figyelembe a gyújtótranszformátor töltöttségi állapotát, hanem a feltöltés vezérlését egy előre megadott, a motorvezérlőegységben tárolt táblázat szerint végzik. Tulajdonképpen ezekben a táblázatokban a két gyújtás között eltelt idő, mint vezérlési érték van eltárolva a különböző üzemállapotokhoz. Ezzel szemben az áramvezérelt (inkább mondjuk a továbbiakban szabályozottnak) rendszerek a gyújtótrafó valóságos töltöttségi állapotát már ismerik az újrafeltöltés megkezdése során. Mivel egy transzformátor kisütési karakterisztikáját mértékadóan az égéstérben történő lefolyások határozzák meg, ezért az áramszabályozott rendszerek az erősen változó feltételekhez jobban tudnak alkalmazkodni. Az egyik speciális formája a többszikrás rendszereknek pl. a Mercedes ECI, amelyet igen nagy mértékű költséghátránya miatt csak felsőkategóriás járművekben találhatunk.

Idővezérelt többszikrás gyújtás

1. ábra

A motorvezérlőben előre eltárolt adatok alapján a motorelektronika irányítja az ívsorozatot létrehozó folyamatot. A működés ábrázolására az 1. ábra szolgál. Ebben az esetben két üzemmódot lehet megkülönböztetni:

- újrafeltöltés csak a tekercs teljes kisütése után kezdődik (1. ábra a) rész). Ezzel a motorelektronika számára ismeretlen kezdeti feltételeket elkerülik. (Kezdeti feltételek alatt értjük azt az energiaszintet, amely az ív kialvása után a primer áramkör újbóli zárásakor a gyújtótrafóban még jelen van.) Így természetesen meghosszabbodik az idő a következő szikráig. Hatásos ismetlési számot (ismétlési rátát) csak kisebb fordulatszámnál kap az ember pl. motorinításnál. Vegyünk egy átlagos indítási fordulatszámot amely 150-200 min^-1. Számoljuk ki ezen a fordulatszámon, hogy 6 ms – os szikratávolság (két szikra megjenése között eltelt idő) mekkora főtengelyszögelfordulásnak felel meg.

200 min^-1 = 3,33 s^-1 → T = 0,3 s = 300 ms ~ 360 f°t → 6 ms ~ 7,2 °ft

Viszont egy 6 ms – os szikratávolság 1000 min^-1 fordulatnál már 36 °ft - nak felel meg. Így a második gyújtószikra már olyan messze van az ideális gyújtásidőponttól, hogy talán megakadályozhat egy gyulladáskimaradást, de ez a hatás lényegében egy belső motorikus HC redukcióra korlátozódik.

- újrafeltöltés a gyújtóív megszakításával. Ezáltal nő ugyan az ismétlési szám, de a motorelektronika számára a gyújtótrafó energiaszintje továbbra sem ismert. A transzformátorból törénő nagy energiakivétel esetén, az utántöltések folyamata oda vezethet, hogy olyan feltételek alakulnak ki, hogy a gyújtóív a hengerben már nem biztosítható (1. ábra b) rész ). Fordított esetben (1. ábra c) rész) a tekercset túl tudják tölteni úgy, hogy az már a mágneses telítettséget eléri, de az ekkor fellépő nagy áramok a tekercset, vagy a vezérlő félvezetőket károsíthatják.

Áramszabályzott többszörös gyújtás, a Delphi rendszer jellemzői

Ellentétban az előzőekkel, a Delphi többszörösen gyújtó rendszere áramszabályzott, amelyhez visszacsatolásként felhasználja mind a primer, mind pedig a szekunder oldali áramkört is. A gyújtásrendszer egyszerűsített kapcsolási rajza a 2. ábrán látható. A visszacsatolások segítségével a gyújtótrafó energiatartalma minden időpontban ismert.

2. ábra

3. ábra

A Delphi már a 2000-es év körül is tervezett egy gyújtásrendszert, amely már ionáramjelet szolgáltatott az égésminőség kiértékeléséhez. Az annak alapjául szolgáló többszikrás gyújtásalgoritmus és a primer és szekunder oldali áramszabályozás továbbfejlesztésével jutottak el a mai Multiszikrás rendszerhez. (Multi Charge Ignition, MCI). A 3. ábra az MCI rendszer által létrehozott szikrasorozatott mutatja (az ívsorozatról később részletesebben lesz szó). Továbbá megfigyelhető, a ma már szokásos komponenselrendezés, gyertya fölé helyetett transzformátor és a transzformátorra integrált gyújtáselektronika.

A multiszikrás rendszer jellemzői részletesen :

- hosszú ívidőtartam és nagy szikraenergia :

                  - maximum 25 gyújtóív és ezzel összesen 300 mJ szikraenergia hozható létre

- minden körülmények között garantálva van egy legkisebb szikraégéstartam  és ezzel együtt gyújtóenergia

- megnövelt hatásos szikraégéstartam (első két ívfázis)

- kis méretű gyújtótekercsek alkalmazása, a gyors tölthetőség, és kisüthetőség érdekében ; töltés / kisütés : 50 – 200 mikroszekundum

- az egymás után következő gyújtások távolsága 1000 min^-1-nél 1-2 °ft

- A gyors többszikrás rendszer rendkívüli szikrasorozatot hoz létre:

• az egyes szikrák az előző szikrák lefutását (lefolyását) követik,
• a hosszabb szikraszakaszhoz egy nagyobb gyújtófeszültség szükséges, amely azonban nagyobb gyújtóenergiát jelent,
• a rendszer érzéketlen a tüzelőanyag által benedvesített („beköpött”) gyújtógyertya elektródákra,
• minden ív a 100%-osan kihasználja a gyújtótrafóban tárolt energiát.

- A lángkialvási viszonyok jelentős javítása:

- abban az esetben, ha a szikrát a levegőáram vagy a befecskendezési sugár kioltja, mindig van újragyújtási lehetőség,

- áramvezérelt töltési és kisütési folyamatok garantálják a tekercsek elegendő töltöttségi állapotát,

- a nagyon gyors utántöltés, ezáltal hosszan kitérített vagy kivezetett gyújtószikra a befecskendezési sugárba is létrehozható.

A gyújtótranszformátor felépítése

4. ábra

A rendszer nem igényel speciális felépítésű transzformátort. Megvalósulhat gyertya fölé épített kivitellel, vagy gyújtókábel segítségével nem közvetlenül a gyertya közelében elhelyezve. Ezt mutatja a 4. ábra. Két jelentős tényező határozza meg az MCI rendszernél a gyújtótrafók konstrukcióját:

- nagy gyújtófeszültség szint: ez különösen akkor fontos amikor tüzelőanyag által benedvesített (beköpött) gyertyaelektródák vannak, mert ez jelentősen lerontja az ívképzés lehetőségeit. Nagy feszültségek eléréséhez kis tekercseknél különösen fontos a szekunder oldali szórt kapacitások minimalizálását megoldani.

- gyors újrafeltöltés: nagy gyújtófeszültségigény esetén a gyors tekercskisülés miatt az ív már rövid égéstartam után kialszik. Azért, hogy a legrövidebb időn belül teljes potenciállal lehessen gyújtani, a primer tekercs kis ohmos ellenállással és kis induktivitással kell rendelkezzen. A primer tekercs teljes mértékű feltöltése jelentősen kevesebb, mint 1 ms alatt megtörténik.

Transzformátorra épített gyújtáselektronika

A 4. ára tetején nagyjából lehet látni az elektronikát, amely tartalmaz többek között egy gyújtás – IGBT – t (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor), a többszörös gyújtás kivezérléséhez szükséges integrált kapcsolást (ASIC), és ezek helyspóroló ún. Flip-Chip technika segítségével vannak elhelyezve. Az ASIC-ban minden további az önálló üzemhez szükséges funkciók integrálva vannak.

Az MCI működése

5. ábra

A gyújtáselektornikának a motorelektonika küld egy gyújtás jelet, és ezzel automatikusan elindul egy algoritmus, amely az egymás után egy ciklus alatt bekövetkező gyújtásokat vezérli. Az 5. ábra bal oldali része egy ívsorozatot mutat külsö légárammal „zavart” szikraközben, 10 mm-es elektródatávolság és környezeti nyomás mellett. A folyamatot egy nyitott blendéjű fényképezőgéppel vették fel. Az egyes „plazmaszálak” az időben egymás után bekövetkező kisülésekhez tartoznak. Tehát a felvétel a valóságban ilyen módón nem jön létre, ott mindig csak egy ív van jelen. Az elő gyújtsákor létrejövő ív az elektródák között a lehető legkisebb úton jön létre, a későbbi gyújtások alkalmával pedig már a légáram miatt messzebre kiterített vagy kivezetett plazmacsatornák keletkeznek. És ki tudja mi történik a hengerben…) Az elsőre talán szembeötlő vizsgálati körülményeknek (10 mm – es elektródatávolság, környezeti nyomás) van némi valóságalapja, ugyanis a gyújtótranszformátor gyártása során a transzformátorok működésének végellenőrzésére ugyanilyen vizsgálati paraméterek mellett kerül sor.

6. ábra

Az ábrázolt ciklus kb. 20 ívet tartalmaz és kb. 5 ms időtartamú. Az összes gyújtóenergia 200 mJ. Az 5. ábra jobb oldali részén a szikrasorozathoz tartózó gyújtásoszcillogramok láthatók. A legfelső a szekunder feszültségeket mutatja. A szekunder feszültség sorozatban többek között két dolog is megfigyelhető. Az egyik, hogy az első áttörés után a következőhöz már jelentősen kisebb energia szükséges, a másik amit a tudásunk alapján már könnyen észreveszünk, hogy a légáram miatt egyre messzebbre kivezetődő ívek létrehozásához egyre nagyobb gyújtófeszültség szükséges. A szekunder feszültség oszcillogram alatt a szekunder áram, alatta pedig a primer áram oszcillogram látható ugyanezen a cikluson belül. A 6. ábrán ugyanezek a jelek nagyobb felbontásban figyelhetők meg, továbbá fel vannak tüntetve az oszcillogram osztásértékei idő, áram, és feszültség is, külön mindegyik jelre vonatkozóan. Az első áttöréshez tartozó feszültség kb. 7,5 kV, a továbbiakban már csak kicsivel van 2,5 kV fölött (persze az ív hosszától függ). Az ívfenntartás (U_burn)  változó ugyan, de átlagosan kisebb mint 0,2 ms. Ami még különös érték lehet, az a 20 A-nál nagyobb maximális primeráram. Ennél a rendszernél már jelentősen kisebbre hagyják az ívfenntartást, amely a gyújtóív fázisainak az utolsó része, és ahol a legkisebb hatásfokú az energiaátvitel az ívről a keverék felé. De ezek alapján sem tisztázott, hogy ennek a fázisnak, a nagyobb fordulatszámtartományokban van-e jelentőssége. A régi rendszereknél megszokott kb. 2 ms-os ívfenntartási időt nézve, ezen idő alatt az MCI rendszernél kb.10 gyújtóív jön létre.

Észrevehető még két jellemző érték, a szekunderáramküszöb (Sekundärstromschwelle) és a prímeráramküszöb (Primerstromschwelle), amelyekről a következőkben részletesebben lesz szó.

Szekunderáramküszöb

Az áttörést követően a szekunder áram (I_s) átlagos kb. 100 mA nagyságú értékről kezd el lassan csökkenni. Az MCI rendszer a folyamat alatt folyamatosan figyeli a szekunder áram nagyságát és megszakítja az ívet ha az áram értéke a küszöbérték alá esik, azért, hogy a primer tekercset újra tölteni kezdje. A küszöbérték által beállítható szikraenergiát és égéstartamot az égéstér mindenkori termodinamikus állapotának függvényében határozzák meg.

Primeráramküszöb

A gyújtószikra megszakítása után a primer tekercset újra zárt áramkörbe kapcsolva, az áram először meredeken emelkedik a trafó töltöttségi állapotának megfelelő szintig, és ezután egy töréspontot követően kezdődik az „exponenciális töltődés”. Amikor elérte a beállított küszöbértéket, azután következik az újabb gyújtás.

A többszörös gyújtásfolyamat hossza

A többszörös gyújtásfolyamat hosszát a motorelektronika maximum 40 °ft tartamban határozza meg.Azokban az üzemállapotokban, amelyekben többszörös gyújtás nem szükséges pl. hosszabb tolóüzem, vagy a rétegezett keverékű üzem tartományán kívül, ezt a gyújtásciklustartamot lerövidíti.

Az MCI rendszer a motorelektronikától érkező szokásos gyújtásjelet használja, ezáltal kompatibilis a jelenlegi motorirányító egységekhez.

Megjegyzés: a gyújtórendszer – gyújtásrendszer szavak szinonímaként szerepelnek. Az ív – szikra – gyújtóív – gyújtószikra szavak szinonímaként szerepelnek, a leírás nem olyan részletes, hogy a szikra és az ív között különbséget tegyünk.

Folytatjuk….

A következő részben foglalkozunk, természetesen az MCI-hez kapcsolódóan a rétegezett keverék gyulladásának különlegességeivel, a gyulladáskimaradással, és további motorikus jellemzőkkel a tüzelőanyagsugár-vezérelt rétegezett elégetési eljárás során.

Szabados György

Forrás:

Bedarfsgerechte Mehrfachzündung für kritische Entfalmmungsbediengungen MTZ 07-08/2008.

MultiCharge Ignition for Spray Guided Systems and Delphi Fast MultiCharge Ignition System – presentations IAA 2007.

Delphi’s New High Performance Gasoline Direct Injection (GDi) System, Press release September 11, 2007 www.delphi.com/media