NOVA RJEENJA KOD DIZEL MOTORAZA PUTNIKA VOZILA IZ PROGRAMA VW-a

Razvoj cestovnih vozila je vrlo intenzivan u elji da se zadovolje odreene ljudske potrebe, uz minimalno ugroavanje okoline. Poseban akcent u razvoju cestovnih vozila stavlja se na motor sa unutarnjim izgaranjem, iji je presudni uticaj na emisiju zagaivaa i ekonominost vonje. Imajui u vidu poznate prednosti dizel motora, u novije vrijeme se poklanja praktino najvea panja razvoju dizel motora sa direktnim ubrizgavanjem.Kriteriji koji usmjeravaju razvoj motora uope, pa i dizel motora, su po prioritetu:- emisija zagaivaa (CO, CxHy, Nox, estice, ),- emisija buke,- potronja goriva, - pogonska sigurnost,- specifina cijena,- ivotno doba,- servisibilnost, itd.

U ovom izlaganju daju se najinteresantnije novosti iz razvoja VW-og etverocilindrinog linijskog dizel motora, vodom hlaenog, hodne zapremine Vh = 1,968 dm3 (motor 2.0 TDI), koji sa svojom specifinom snagom 52,34 kW/dm3, kada je poeo sa ugradnjom na vozila predstavljao je motor sa najveom specifinom snagom u svojoj klasi, koji zadovoljava normative Euro V.

OSNOVNE KARAKTERISTIKE MOTORAMotor je razvijen na bazi motora 1.9 TDI koji ima snagu 96 kW, poveanjem promjera cilindarske kouljice sa 79,5 mm na 81,0 mm. Novi motor hodne zapremine 1,968 dm3 razvija maksimalnu snagu od 103 kW. Osnovne tehnike karakteristike motora date su u tabeli 1. i na slici 2.

Slika 2. Brzinska karakteristika snage i obrtnog momenta motora 2.0 TDI

Iz priloenih podataka se vidi da se radi o nadpunjenom dizel motoru sa direktnim ubrizgavanjem goriva, koji zadovoljava norme za ispune plinove i buku Euro V.Maksimalna snaga od 103 kW postie se na broju okretaja motora 4000 o/min. Motor ima visoku elstinost momentne karakteristike, uz postizanje maksimalnog momenta od 320 Nm u podruju brojeva obrtaja motora od 1750 o/min do 2500 o/min.

3. NAJINTERESANTNIJA TEHNIKO-TEHNOLOKA RJEENJA3.1 Klipna grupa

Klipna grupa motora je tzv. dezaksijalna, to je pokazano na slici 3 ime se znaajno smanjuje buka koja nastaje prilikom udara klipa o cilindarsku kouljicu. Pomjeranje ose osovinice iznosi oko 2 % od prenika klipa. Slika 3. Dezaksijalni klip

Uticaj ovog fenomena najbolje se moe objasniti preko slike 4 gdje su dati razliiti poloaji klipa. Na slici 4 a) vidi se poloaj klipa neto prije SMT pri emu donja lijeva ivica klipa strue ulje prema gornjem dijelu cilindarske kouljice. U trenutku prelaska klipa iza SMT (slika 4 b) i slika 4 c)), gdje znaajno raste normalna sila na klipu, klip udara snano o lijevu stranu cilindarske kouljice. Obzirom da je ovdje nanesen znaajniji sloj ulja sa kouljice, ovaj udarac se amortizuje i tako se znaajno smanjuje buka. Ovaj fenomen ne postoji kod klasinih krivajnih mehanizama sa centrinim klipom, nego je upravo suprotan. Naime kod centrinih mehanizama klip skida sloj ulja sa kouljice, to za posljedicu ima poveanu buku od udara klipa o cilindarsku kouljicu.Slika 4. Razliiti poloaji klipa u radu oko SMT

Napravljeni su odgovarajui konstruktivni zahvati i na komori klipa motora i hlaenju klipa to se vidi na slici 5. Klipovi motora imaju centralno postavljenu komoru za sagorijevanje, to je omoguila nova 4-ventilska tehnologija. Zahvaljujui ovom obliku komore za sagorijevanje postie se dobro vrtloenje, a time i optimalno formiranje smjee. Uvoenjem udubljenja na klipu zbog ventila i smanjenju visine zatitnog pojasa ela klipa na samo 9 mm, postiglo se to da je znatno smanjena zapremina tetnog prostora, a samim tim i emisija tetnih tvari. Slika 5. Konstruktivni detalji na klipu

Kako se zna da je prostor po prstenu oko ela klipa prostor nepotpunog sagorijevanja, koji front plamena prilikom procesa sagorijevanja teko moe dostii, i da u tom podruju gorivo nepotpuno sagorijeva, to su efekti gore navedenih poboljanja na klipu jo vei i znaajniji. Obzirom na visoko specifino optereenje ela klipa, klipovi imaju ugraene rashladne kanale valovitog oblika, pomou kojih se smanjuje temperatura u podruju klipnih prstenova, ela i zatitnog pojasa ela. Valoviti oblik rezultira veom povrinom rashladnog kanala, a time i boljim prijenosom toplote sa klipova na ulje. Time je optimiran i uinak hlaenja, a stalna vrstina klipa je znatno poboljana. (slika 5). Slika 5. Konstruktivni detalji na klipu

Poboljanje procesa paljenjaZbog sigurnosti regularnog paljenja mjeavine u dizel motoru prilikom strartovanja motora uveden je novi grija koji to omoguava.Ovaj novi sistem zapravo je sistem brzog starta (paljenja) dizel motora. On praktino u svim klimatskim uslovima omoguava brzi start tipian za benzinske motore, bez dugotrajnog zagrijavanja. To je prevashodno mogue u kombinaciji sa novim brizgaem za ubrizgavanje goriva koji ima 6 otvora. Jedan od otvora za ubrizgavanje specijalno je izveden, tako da kao mlaz paljenja omoguava optimalno rastojanje od grijaa. (slika 6). Slika 6. Poloaj grijaa na motoru

Ovim mlazom paljenja poboljane su karakteristike hladnog starta i rada nezagrijanog, tj. hladnog motora. Prednosti novog sistema paljenja su: sigurniji start pri temperaturi od 24 oC, postie se ekstremno kratko vrijeme zagrijavanja ( u roku od 2 sek. na grijau se postie temperatura od 1000 oC - nova izvedba grijaa), mogue upravljanje temperaturom zagrijavanja i produenog zagrijavanja, mogunost sprovoenja samodijagnoze, kao i Euro-On-Board mogunost dijagnosticiranja.

Kako je grija komponenta za podrku hladnom startu motora, on je na ovom motoru usavren, te tako sada grijai na 2.0 TDI motoru, zbog 4-ventilske tehnike i ogranienog prostora imaju tanku i kompaktnu konstrukciju, kao i nominalni napon od 4,4 V, i u poreenju sa dosadanjim samoregulirajuim metalnim grijaima imaju smanjenu kombinaciju koju ine grejna i regulacijska spirala, i njena veliina je za dvije treine manja od dosadanje. (slika 7). Na taj nain je vrijeme paljenja svedeno na samo dvije sekunde.Slika 7. Izgled novog grijaa u poreenju sa dosadanjim

Razvod radne materijeRazvodni mehanizam motora 2.0 TDI koncipiran je na bazi dva usisna i dva ispuna ventila po jednom cilindru motora. Ovaj koncept je uraen sa poprenim strujanjem u glavi motora, zbog ega je bilo neophodno napraviti vie zahvata na glavi motora i razvodnom mehanizmu.Glava cilindra motora 2.0 TDI je aluminijska sa poprenim kanalima, sa dva ulazna i dva izlazna ventila po cilindru (slika 8 i slika 9). Slika 8. Prikaz rasporeda ventila i usisno-izduvnih kanala

Ventili su vertikalno postavljeni. Dva bregasta vratila, smjetena u gornjem dijelu glave, pokree jedan zajedniki zupasti remen, pri emu izlazno bregasto vratilo pored zadatka upravljanja ispunim ventilima preuzima i pogon jedinice pumpa-brizga, dok ulazno bregasto vratilo pored upravljanja usisnim ventilima preuzima i pogon tandem-pumpe. Aktiviranje ventila vri se preko klackalice s valjiima smjetene na poluosovinama. (slika 10). Slika 10. Pogon razvodnog mehanizma

Okvir leaja (slika 11) je kompaktni dio od sivog liva sa zadatkom da vri uleitenje bregastog vratila, uleitenje osovina i voenje klackalice za pogon jedinice pumpa-brizga, prihvat centralnog utikaa za snabdijevanje strujom, kao i prihvat kabelskog kanala jedinice pumpa-brizga i grijaa. Na osnovu kompaktne konstrukcije okvira leaja sa 5 snanih poprenih rebara, ne samo da je postignuta vea krutost glave cilindra, nego je i akustika motora znatno optimizirana.Okvir leaja spojen je vijcima sa oba unutranja reda vijaka takozvanim spojem vijak u vijak direktno u glave vijaka glave cilindra. Slika 11. Izgled glave motora sa okvirom leaja

Ovaj koncept okvira leaja i glave cilindra sa blokom cilindra, kojim je postignuta prostorna uteda, omoguio je ostvarenje manjeg rastojanja izmeu cilindara sa dosadanjih 134 mm (motor 1.9 TDI) na samo 88 mm, kao i znatno smanjenje visine glave cilindra na nevjerovatnih 125 mm. (slika 11).Kako je ranije reeno, vertikalno su postavljena po dva usisna i ispuna ventila po cilindru, sa ime se dobilo znatno poveanje stepena punjenja motora. Oblik, dimenzije i poredak ulaznih i izlaznih kanala obezbjeuju optimiran stepen punjenja, kao i bolju izmjenu radne materije. Vertikalna i centralno postavljena jedinica pumpa-brizgaljka direktno je postavljena iznad sredine klipa. Ova konstrukcija utie na dobro formiranje smjee, a iz toga rezultira smanjena potronja goriva i redukcija emisije tetnih tvari u ispunim gasovima (prvenstveno manje NOx).

Za poboljanje uslova strujanja u ulaznim i izlaznim kanalima, peurke ventila, u odnosu na dosadanji poredak ventila, zaokrenute su za 45o u odnosu na uzdunu osovinu motora. (slika 9). Rezultat je poboljano popreno strujanje sa tangencijalnim kanal-konceptom, kao i specijalno izvedeni usisno ispuni kanali (slika 8), posebno usisni kanal gdje je bitno ostvariti kvalitetno vrtlono strujanje.

Slika 9. Raspored usisno-izduvnih kanala u glavi motora za staru i novu koncepciju

Oba bregasta vratila za upravljanje usisnim i ispunim ventilima pokreu se preko zupastog remena. Aktiviranje ventila e uslijediti preko klackalice s valjiima, smjetene na poluosovini.Za minimiziranje trenja u glavi cilindra napravljeno je pokretanje ventila preko aksijalno postavljene okretno-vune klackalice. Na osnovu, u gornjem dijelu opisanog koncepta kanala, sa asimetrino okrenutom zvijezdom ventila i jako uskim prostorom koji stoji na raspolaganju za ugradnju, postoje 4 razliite klackalice sa valjiima, koje se razlikuju po obliku i dimenzijama. (slika 12). Slika 12. Rjeenje pogona ventila

Klackalice sa valjiima smjetene su pokretno na poluosovini. Kompenzacijski element ventilskog zazora nalazi se direktno iznad voice ventila. Snabdijevanje uljem kompenzacijskog elementa ventilskog zazora uslijedit e od poluosovine preko kanala u klackalici sa valjiima. Klizni element koji je pokretno smjeten izmeu kompenzacijskog elementa klackalice s valjiima i stabla ventila obezbjeuje ravnomjernu raspodjelu sile (slika 13). Slika 13. Izgled kompenzacionog elementa ventilskog zazora

Posebno osjetljivo mjesto na razvodnom mehanizmu je sjedite ventila. Da bi se poveao povrinski (kontaktni) pritisak, a time i sila zaptivanja u kontaktnom podruju izmeu sjedita ventila i prstenastog sjedita ventila, reducirana je, dodatnom obradom unutranjeg ruba, irina sjedita ventila. Ovaj dodatni rub, pored navedenog, obezbjeuje i poboljano vrtloenje usisnog zraka. Treba napomenuti da se ovakva prstenasta sjedita ne smiju naknadno obraivati, jer se u suprotnom vrtloenje usisanog zraka, a time i stvaranje smjee znatno mijenjaju. (slika 14). Slika 14. Izgled peurke ventila sa sjeditem

Ubrizgavanje goriva

Za motor 2.0 TDI sa 4 ventila po cilindru motora, zbog jako malog ugradbenog prostora, u suradnji sa Bosch-om, razvijen je novi, izuzetno kompaktni sistem za ubrizgavanje goriva pumpa-brizga. Nalazi se u centralnom dijelu iznad komore za sagorijevanje u klipu. Sistem je privren sa dva vijka (slika 15) koji omoguavaju minimalan prijenos oscilacija na glavu motora. Na slici 16 je prikazana tanka i vrlo kompaktna konstrukcija novog sistema pumpa-brizga. Slika 15. Poloaj sistema pumpa-brizga na glavi motora Slika 16. Izgled sistema pumpa-brizga

Do znatnog smanjenja sistema pumpa-brizga dovelo je i tzv. kuglasto sjedanje brizgaa u glavi motora (slika 17), ime je omogueno lake centriranje brizgaa, izbjegnut bronzani termoizolacioni zaptiva, kao i donji O zaptiva. Slika 17. Kuglasto sjedite brizgaa

Da bi se smanjila buka pri ubrizgavanju, jedinica pumpa-brizga je opremljena kompenzacijskim klipom za usporavanje. Kompenzacijski klip je smjeten izmeu pumpe i brizgaa i upravlja koliinom i trajanjem predubrizgavanja. (slika 18). Kod sistema ubrizgavanja pumpa-brizga nastaje buka i to usljed: velikog porasta i velikog opadanja pritiska u prostoru visokog pritiska, pri emu se pojavljuje i fenomen kavitacije koji dodatno poveava buku. Djelotvorna i sprovodiva pomo za smanjenje buke je usporavanje promjene pritiska pomou kompenzacijskog klipa. Slika 18. Kompenzacijski klip

Naknadni tretman ispunih gasova

Posebna panja na motoru posvetila se recirkulaciji ispunih gasova i naknadnom tretmanu ispunih gasova. Kod povratnog voenja ispunih gasova, dio ispunih gasova se vraa do usisne strane i ponovo uvodi u prostor za sagorijevanje. S obzirom da ispuni gasovi sadre veoma malo kisika, smanjuje se maksimalna temperatura, a time i maksimalni pritisak sagorijevanja. Posljedica ovoga je smanjenje emisije tetnih tvari (posebno azotnih oksida). Koliina ispunih gasova koja se dovodi u prostor za sagorijevanje zavisi od: broja obrtaja motora, koliine ubrizgavanja, mase usisanog zraka, temperature i pritiska usisanog zraka. ema tretmana ispunih gasova sa reciklacijom istih i parametri regulacije prikazani su na slici 19.

Legenda:

G28Dava broja obrtaja motoraG62Dava temperature rashladne tenostiG70Mjera mase zrakaJ248Procesor za ureaj za direktno ubrizgavanjeN18Ventil za povratno voenje ispunih gasovaN345Preklopni ventil za hladnjak, povratno voenje ispunih gasovaV157Motor poklopca usisne cijeviAVentil povratnog voenja ispunih gasovaBKutija podpritiskaCHladnjak za povratno voenje ispunih gasovaDVakuum-pumpaEKatalizator

Slika 19. ema recirkulacije ispunih gasova u usisnu granu motora

Pored svih regulacionih ureaja koji reaguju na pojedine parametre (zavisno od reima rada motora) u sistemu se nalazi i hladnjak ispunih gasova koji recirkuliu (slika 19, C) sa mogunou ukljuivanja, odnosno iskljuivanja. Hlaenjem povratnih ispunih gasova smanjuje se temperatura sagorijevanja, a osim toga moe se vratiti vea masa ispunih gasova, te se na taj nain smanjuju i azotni oksidi. Za ovakvo hlaenje koristi se hladnjak za povratno voenje ispunih gasova sa mogunou ukljuenja, da bi na taj nain motor i katalizator brzo dostigli svoje radne temperature, pa tako tek nakon dostizanja radne temperature dolazi do hlaenja povratnog ispunog gasa.

Do temperature rashladne tenosti od 50 oC, preklopka ispunih gasova ostaje otvorena, to znai da je hlaenje ispunih gasova iskljueno, a ispuni gas se vodi pored hladnjaka. Na taj nain katalizator i motor za kratko vrijeme dostiu odreenu radnu temperaturu i na taj nain se smanjuju emisije estica ugljikovodika i ugljenmonoksida. (slika 20 a). a) iskljuen hladnjak Slika 20. Hladnjak ispunih gasova

Kada je temperatura rashladne tenosti vea od 50 oC, preklopni ventil zatvara preklopku ispunih gasova, to znai da je hlaenje istih ukljueno. Nakon toga povratni ispuni gasovi struje kroz hladnjak i na taj nain i pri tome se jo vie smanjuje koliina tetnih tvari (azotnih oksida) (slika 20 b).Pored tretmana ispunih gasova za reciklaciju, u sistemu ispune grane motora nalazi se i katalizator ispunih gasova (slika 19, E). b) ukljuen hladnjak Slika 20. Hladnjak ispunih gasova

ZAKLJUAK

U izlaganju je dat pregled najznaajnijih tehniko-tehnolokih rjeenja za Volkswagenov motor 2.0 TDI snage 103 kW i obrtnog momenta 320 Nm u irem rasponu broja obrtaja.Najvaniji zahvati su napravljeni na:- razvodu radne materije,- sistemu ubrizgavanja goriva,- procesu sagorjevanja i- naknadnoj obradi ispunih gasova.Pokazatelji motora, posebno emisija zagaivaa i buke, u potpunosti zadovoljavaju normative Euro V. Svi zahvati koji su raeni na prethodnom motoru su uraeni tako da motor ima odreene rezerve u daljem razvoju, kako sa stanovita poveanja specifine snage, tako i smanjenja emisije zagaivaa u ispuhu. Ovaj motor danas ima veliku primjenu na vozilima kao to su Audi A3, Audi A4, VW Golf, VW Passat, VW Tiguan, VW Jetta, Seat Leon, koda Octavia, i drugi.