SEMINARSKA NALOGA - Novosti v avtomobilski industriji

 

| uvod | avtomobili danes | varnost | tehnične novosti v razvoju motorjev | globalizacija | REVOZ Novo Mesto | literatura |

 

TEHNIČNE NOVOSTI PRI RAZVOJU MOTORJEV

DIREKTNI VBRIZG GORIVA PRI BENCINSKEM MOTORJU (GDI)
Bencinskemu motorju z neposrednim vbrizgavanjem goriva se obeta lepa prihodnost, saj se odlikuje z do 20% manjšo porabo goriva, do 10% večjo močjo in do 20% manjšo količino CO2 v izpušnih plinih. Sprva so imeli snovalci (Mitsubishi) nekaj težav pri emisiji nekaterih drugih škodljivih snovi, zlasti dušikovimi oksidi, sedaj pa motor izpolnjuje vsa predpisana merila o čistoči izpušnih plinov.

Temelj novega GDI motorja je v dvojnosti delovanja - motor namreč lahko deluje v varčnem ali zmogljivem načinu delovanja, odvisno od potreb voznika. Če motor deluje v zmogljivem načinu delovanja, pride do vbrizga goriva v valj tako kot pri drugih bencinskih motorjih. Če pa motor deluje v varčnem načinu (pri nižjih vrtljajih), kjer voznik ne potrebuje vse razpoložljive moči, pa pride do vbrizga goriva v vdolbino bata tik pred koncem kompresijske faze. Mešanica je takrat precej bolj revna, saj vsebuje le en del goriva na 40 delov zraka, medtem ko je običajno to razmerje 1 : 12.

Prav zaradi dvojnega delovanja je tudi poraba zelo odvisna od načina vožnje. Z umirjeno vožnjo v področju nizkih in srednjih vrtljajev do 120 km/h se je možno voziti z majhno porabo goriva, pri odločnejših zahtevah pa prihranek ni več tako občuten.

Za primer naj navedem 1.8 litrski GDI motor z 92 kW (125 KM) pri 5.500/min, največjim navorom 174 Nm pri 3.750/min in povprečno porabo po novih evropskih ECE predpisih 113-96 6.5 l/100 km.

VARIABILNO KRMILJENJE VENTILOV (VTEC)
Za lažje razumevanje delovanja sistema VTEC (Variable Timing and Lift Electronic Control System) je potrebno najprej nekaj vedeti o vplivu krmilnih časov in gibov ventilov na delovanje motorja. Pri zelo zmogljivih motorjih je odpiranje in zapiranje ventilov nastavljeno tako, da se ti pri vsakem gibu odprejo globoko in za daljši čas, kar omogoča količinsko velik in bogat pritok zmesi goriva in zraka v valje motorja. To omogoča ob visokem številu vrtljajev doseganje velike motorne moči. Po drugi strani pa so lahko veliki gibi ventilov tudi problematični. Pri nizkih vrtljajih je namreč zgorevalni ciklus počasnejši in del polnilne zmesi lahko zaradi dolgo odprtih ventilov "zbeži" nazaj v sesalne cevi še preden zgori. Posledica tega se kaže v zmanjšanju kompresije in hkrati motornega navora, kar posredno prinese manjšo moč in daljši reakcijski čas motorja na voznikove zahteve. Visoko zmogljivi klasični motorji ponujajo torej veliko moči samo pri višjih vrtljajih, ne pa tudi pri nižjih. Doseganje velike moči ob nizki porabi goriva v tovrstno grajenih motorjih prav tako ni mogoče. Pri nizkih vrtljajih je torej bolje, da se ventili ne odpirajo tako globoko, pri višjih pa je to zaželjeno. Tu nastopi tehnologija VTEC, ki ga je razvila Honda.

Pri variabilnem krmiljenju ventilov VTEC se izmenjujeta dva različna pogoja zgorevanja delovne mešanice, kar je mogoče izvesti le s po dvema paroma odmikačev in nihalnih vzvodov. Odmikači in nihalni vzvodi spreminjajo rotacijsko gibanje odmične gredi v premočrtno gibanje, ki odpira in zapira sesalne in izpušne ventile. Sestavo odmikačev in nihalnih vzvodov spreminja VTEC z dodatnim odmikačem z visokim profilom pri vsakem od teh parov. Ta aktivira dodatni nihalni vzvod, ki sicer v območju nizkih in srednjih vrtljajev prosto niha gor in dol brez vpliva na gibanje ventilov. Delovati prične šele pri močnejši obremenitvi motorja pri polnem plinu. Takrat, pri vnaprej določeni točki v zgornjem delu srednjih vrtljajev, sojemni zatič pod vplivom hidravličnega bata zdrsne skozi vse tri nihalne vzvode, jih poveže skupaj, s tem pa dobi dodatni odmikač nadzor nad celotnim sklopom nihalnih vzvodov. S svojim višjim profilom še globlje in za dalj časa odpira ventile ter tako omogoča vstop večji količini delovne mešanice v zgorevalno komoro. S tovrstnim izmenjevanjem različnih nastavitev ventilov omogoča VTEC dva tipa delovnih pogojev pri zgorevanju delovne mešanice. V nizkem in srednjem področju vrtljajev ponuja visok navor ob ekonomični porabi goriva, v višjem območju pa veliko moč.
Hkrati velja zapisati tudi to, da deluje postopek ob zmanjšanju plina v nasprotni smeri. V tem primeru se zatič, ki povezuje vse tri nihajne vzvode, iztakne, odmikači z nizkim profilom in nihalni vzvodi pa spet prično opravljati svojo gospodarnejšo funkcijo.
Za časovno krmiljenje opisanega postopka skrbi elektronika, ki s pomočjo hidravlike sproža premik zatiča. Ker se ta premik izvrši zelo hitro, se motorju tako rekoč v trenutku poveča moč.

TEHNOLOGIJA TDI
Ideja Rudolfa Diesla o samovžigu goriva je stara že več kot 100 let, njegova konstrukcija racionalnega toplotnega pogonskega stroja pa je aktualna kot še nikoli. Moderni dieselski pogonski agregati imajo z glasnimi, ropotajočimi in šibkimi motorji zgodnjih let razen delovnega principa le še malo skupnega. Tradicionalne zahteve po gospodarnosti, zanesljivosti in visoki življenjski dobi so v današnjem času z željo po večjih voznih zmogljivostih, izboljšanem voznem udobju in ekološki sprejemljivosti postale precej obširnejše. Turbodieselski motor z direktnim vbrizgom goriva, kakršen je pri Audiju v serijski proizvodnji že od leta 1989, predstavlja koncept prihodnosti (izdelanih je bilo že preko milijon TDI motorjev).

Medtem so tovrstni agregati postali tipični high-tech pogonski stroji, katerih prihodnost se šele prav pričenja. Turbinski polnilnik s spremenljivo geometrijo lopatic, hladilnik polnilnega zraka, štiri ventilska tehnika s pravokotno postavljenimi vbrizgalnimi šobami, sistem povratnih izpušnih plinov in visokotlačnega vbrizgavanja kot npr. princip skupnega voda ali tlačne šobe s popolnoma elektronskim krmiljenjem predvbrizga še dodatno izboljšujejo specifično moč in navor motorja, hkrati pa ugodno vplivajo tudi na čistočo izpušnih plinov. Moderne metode tretiranja izpušnih plinov (DENOX katalizator) pa še dodatno krepijo ugled in dajejo možnost nadaljnega razvoja temu inovativnemu, ekološko sprejemljivemu motornemu konceptu prihodnosti.

Istočasno z odločnim razvojem tehnologije diesel motorjev z direktnim vbrizgom za osebna vozila pa občutno narašča tudi povpraševanje. Njihov delež v zahodni Evropi je v letu 1994 znašal 26% od celotne proizvodnje dieselskih motorjev za osebna vozila, medtem ko so napovedi za leto 1997 že približno 44%. Ocenjuje se, da bo delež TDI motorjev po letu 2000 presegel 80%. Samo pri Audiju znaša delež dieselske motorizacije že sedaj 25%, pri čemer gre izključno za TDI motorje.

Zasnove vozil z izjemno nizko porabo goriva kot npr. še pred koncem tisočletja pričakovani '3 litrski avtomobil', bodo imele za pogonski vir dieselski motor z direktnim vbrizgom in zato tržni položaj tudi v tem, najmanjšem segmentu. Že danes se intenzivno dela na takšnih in podobnih konceptih, ki bodo izpolnjevali bistveno strožje ekološke norme (npr. Euronorm III. In IV.) in ki bodo pripomogli k zanesljivejši prihodnosti tega pogonskega principa.

ŠTIRIVENTILSKA TEHNIKA V DIESEL MOTORJIH
Danes so praktično vsi sodobni bencinski motorji opremljeni z večventilsko tehniko, ki se je od začetkov v 80. letih pokazala kot zelo dobra izboljšava (v primerjavi z dvoventilsko), saj poleg boljših zmogljivosti pri manjši delovni prostornini prinaša tudi ugodnejšo porabo goriva, večjo ekološko sprejemljivost (čistejši izpuh), mirnejše in bolj uglajeno delovanje motorja (lažje 'dihanje') ter prihranek na teži. Večina proizvajalcev je pričela z uporabo 4 ventilske tehnike (zlasti japonski, ki pa so jim sledili tudi evropski), nekateri pa so pri razvoju šli še korak dalje in razvili bencinske motorje s 3 (Mercedes) in 5 ventilsko tehniko (Bugatti, Audi). Samo vprašanje časa je bilo, kdaj se bo ta tehnologija pojavila tudi v dieselskih motorjih.
Pri razvoju štiriventilske tehnike pri dieselskih motorjih so bili glavni cilji, ki naj bi jih dosegli, sledeči:

  • manjša poraba goriva
  • zmanjšana emisija izpušnih plinov
  • večji motorni navor, zlasti pri nižjih vrtljajih
  • večja specifična moč
  • izboljšana uglajenost (mirnejši tek) in akustika
  • kompaktnejša gradnja motorjev
  • velik potencial nadaljnega razvoja.

Slika 4: Štiriventilska tehnika pri diesel motorju z direktnim vbrizgom (Audi)

Konstrukcijske in termodinamične prednosti štiriventilskega koncepta v primerjavi z običajnim, dvoventilskim, prikazuje spodnja tabela:

PREDNOST

POSLEDICA

Pravokotno postavljena vbrizgalna šoba

optimalnejša tvorba mešanice in enakomernejša porazdelitev goriva v zgorevalnem prostoru

Višja stopnja izrabe zraka

Večji navor in moč

Ugodnejša izmenjava plinov

Manjša poraba

Središčni zgorevalni prostor

Ugodnejša tvorba vrtinčnega toka, višja trdnost bata

Podatki, navedeni v nadaljevanju tega poglavja, se nanašajo na najnovejši dieselski motor z direktnim vbrizgom, ki so ga razvili pri Audiju. Gre za šestvaljni motor z 90° kotom med valji (V6), ki z delovno prostornino 2496 cm3 razvije 110 kW (150 KM) pri 4000/min ter se ponaša s 310 Nm navora med 1500 in 3200/min.
To je prvi velikoserijski šestvaljnik z valji v obliki črke V s tehnologijo visokotlačnega direktnega vbrizga (TDI), ki pa je opremljen tudi s 4 ventilsko tehniko, turbinskim polnilnikom s spremenljivo geometrijo (kar omogoča visok tlak v širokem razponu vrtljajev in posredno tudi ugoden navor) in hladilnikom polnilnega zraka.

Blok motorja je soroden hišnim V6 bencinskim modelom in je izdelan iz sive litine (GG 25S), medtem ko je glava motorja iz lahke kovine. Z uporabo optimiranja s pomočjo metod končnih elementov (MKE analiza) je lahko bila glava motorja razvita in oblikovana z upoštevanjem najbolj ugodnih rezultatov analiz glede akustičnosti (hrup) in ustreznega hlajenja.

Slika 5: MKE model bata (mreža)

Slika 6: Bat

Nad vsakim batom so po štirje, pravokotno postavljeni ventili, ki jih krmilijo skupaj štiri odmične gredi. Ventili so razporejeni v obliki rotirane zvezde, med njimi pa je na sredini šoba za vbrizg goriva ter žarilna svečka za predgrevanje zgorevalnega prostora pri zagonu mrzlega motorja (slika 7). Pri tem eden od sesalnih ventilov skrbi za optimalno polnjenje, drugi pa za dobro kroženje mešanice pri vseh hitrostih. Izpušni ventili zagotavljajo zadostno praznjenje zgorevalnega prostora po opravljenem ciklu. Zaradi velike stopnje recirkulacije izpušnih plinov (do 50%) ter oksidacijskega katalizatorja, so stopnje emisije strupenih plinov zelo majhne in so v skladu z najstrožjimi evropskimi predpisi.

Vbrizg goriva omogoča visokotlačna Boscheva radialna razdelilna črpalka z magnetnim krmiljenjem ventilov, katere največji tlak znaša tudi do 1500 barov (slika 8). Gorivo se pod zelo visokim tlakom razprši s pomočjo vbrizgalnih šob (vsaka ima po 5 luknjic) v zgorevalni prostor, kar omogoča čisto in popolno zgorevanje.

Slika 7: razporeditev ventilov

Slika 8: Boscheva črpalka VP44

Vendar pa tako visoke moči in ugodnega navora ne bi bilo mogoče doseči brez uporabe turbinskega polnilnika. Tudi pri tem motorju so uporabili sistem spremenljive geometrije (prvič uporabljen že pri močnejši različici 1.9 litrskega TDI motorja s 110 KM). Takšna turbina se prilagaja režimu delovanja motorja – pri nižjih vrtljajih se obnaša kot majhna turbina, se torej prej zavrti in ima boljšo odzivnost in manjšo t.i. turbo luknjo. Pri višjih vrtljajih pa so lopatice turbine bolj odmaknjene in turbina simulira veliko turbino ter zagotavlja večji tlak (do 2.1 bar). Na ta način zmore motor konstantno krivuljo navora, predvsem pa je ta navor na voljo že pri najnižjih obratih (1500/min), kar pomeni izredno uporabnost in prožnost ob majhni porabi goriva.

Vse zgoraj naštete tehnične rešitve so sedaj združene v enem najsodobnejših dieselskih motorjev ta hip. Pred kratkim predstavljen V6 TDI motor v Audiju A8, A6 in tudi v A4 predstavlja prvi korak tovrstne tehnologije v najvišji segment osebnih vozil v svetovnem merilu. Avtomobili najvišjega razreda (npr. A8) z diesel motorji v naslednjih 5 do 10 letih ne bodo več izstopali iz cestne slike, še več: njihov delež bo narasel za 25%. Takšni motorji s šest in več valji lahko namreč nudijo ustrezno udobje in vozne zahteve, kot se pričakujejo v tem razredu.

Seveda konkurenca ne počiva in spati na lovorikah bi bilo nesmiselno. Ker pa smernice kažejo v vedno večjo uporabo dieselskih motorjev z neposrednim vbrizgom je smiselno v prihodnosti pričakovati vedno več tovrstnih agregatov.

TEHNOLOGIJA COMMON RAIL
Leta 1993 so pri Daimler Benzu izvedli primerjavo med tremi tehnikami vbrizga goriva pri diesel motorjih z namenom izbrati sistem, ki bi bil najbolj primeren za uporabo v prihodnjih generacijah osebnih vozil. Pri dieselskih motorjih z direktnim vbrizgom je namreč največja težava v glasnosti oz. v hrupu, ki se pri tem ustvarja.

Preučevali so naslednje sisteme:

  • razdelilna črpalka z magnetnim krmiljenjem ventilov
  • črpalna šoba z magnetnim krmiljenjem ventilov
  • common rail sistem vbrizga.

Medtem ko npr. pri Audiju celotna tehnologija TDI motorjev sloni na sistemu razdelilne črpalke z magnetnim krmiljenjem ventilov, so se pri Daimler Benzu odločili za takrat še relativno nepoznan sistem common rail. Razvoj tega sistema so leta 1994 pričeli s skupnim projektom Daimler Benz, Fiat (oziroma hčerinsko podjetje Elasis, ki je že prej izdelovalo visokotlačne črpalke in vbrizgalne injektorje) ter Bosch.

Izraz common rail bi lahko prevedli v slovenščini kot skupni dovod, ta nova tehnologija pa naj bi napovedovala boljše čase dieselskim motorjem (tako zagotavljajo snovalci), saj zagotavlja manjšo porabo goriva, obenem pa bolj uglajeno delovanje motorja (manj hrupa).

Najpomembnejši del motorja, opremljenega s to tehnologijo, je vbrizgalni sistem. V dovodni cevi je stalno enak tlak goriva in sicer 1350 barov, ki ga zagotavlja visokotlačna črpalka. Tlak goriva ni odvisen od števila vrtljajev motorne gredi, tako da je poln tlak na voljo tudi že pri nizkem številu vrtljajev. Drugi del common rail sistema so vbrizgalne šobe, pred katerimi so nameščeni solenoidni ventili, ki regulirajo tlak in količino vbrizganega goriva glede na potrebe motorja, ki jih sporoča osrednja elektronska upravljalna enota. V bistvu gre pri tem sistemu samo za drugačen princip vbrizga goriva, medtem ko so ostale tehnične rešitve, kot npr. 4 ventilska tehnika, turbinski polnilnik, recirkulacija izpušnih plinov ipd…, enake kot pri drugih diesel motorjih.

Slika 9: Sistem skupnega voda

Posebna prednost sistema skupnega voda in solenoidnih ventilov je v tem, da omogočajo kratek predvbrizg goriva, s katerim pride do predzgorevanja. Le nekaj milisekund pred glavnim vbrizgom goriva šoba namreč vbrizgne zelo majhno količino goriva, ki se vžge in s tem ogreje zgorevalni prostor. Iz tega razloga pri zgorevanju osrednje količine goriva tudi ni slišati rezkega kovinskega zvoka, tako značilnega za dieselske motorje z neposrednim (direktnim) vbrizgavanjem goriva. Tlak in temperatura v zgorevalnem prostoru se namreč ne spremenita tako izrazito kot pri motorjih brez predhodnega vbrizgavanja in vžiganja goriva.

Po drugi strani pa predvbrizg pomembno vpliva na zmanjšanje dušikovih oksidov v izpušnih plinih. Tako novi motor CDI pri Mercedesu ali JTD pri Alfi Romeo izpolnjuje najstrožje nemške predpise D3 o čistosti izpušnih plinov pri dieselskih motorjih in ima zato davčne olajšave.

Pri Mercedesu zagotavljajo, da bodo do preloma tisočletja vse svoje dieselske motorje opremili s common rail tehnologijo. Že leta 2000 bo njihova ponudba dieselskih motorjev zelo obširna - od trivaljnika do osemvaljnika (S razred).

Za razliko od Mercedesa pa so pri konkurenčnih nemških avtomobilskih koncernih (BMW, Audi) precej bolj previdni glede novega sistema. Bavarci (BMW) menijo, da zaenkrat sistem skupnega voda še ni dovolj dodelan, da bi bil pripravljen za velikoserijsko vgradnjo, Audijevi inženirji pa imajo tako že od leta 1989 primat v konstrukciji diesel motorjev z direktnim vbrizgom. Poleg tega njihov novi V6 TDI motor, opremljen z vsemi ostalimi tehničnimi novostmi na tem področju (4 ventilska tehnika, visokotlačni vbrizg z magnetnim krmiljenjem ventilov črpalke, turbinski polnilnik s spremenljivo geometrijo, hladilnik stisnjenega zraka, povratni tok izpušnih plinov...) ne le konkurira, temveč postavlja ostalim proizvajalcem nova merila glede snovanja dieselskih motorjev.