A fizikai modellek megalkotása és alkalmazása a tervezési feladatok során több lépésből álló feladat. Ezek a lépések röviden a következőképpen foglalhatók össze:

Ezek között a lépések között sorrendi kapcsolat található ezért mindegyikük azonos jelentőségű a modellezési feladat megoldása során.

Első lépésként meg kell fogalmazni a problémát. Ez sok esetben annak a tervezési feladatnak a sajátságaiból adódik, amelyiknek a támogatásához modellt akarunk készíteni (pl. a feladatkitűzés eleve formális műszaki specifikáció által történik), ez azonban nem minden esetben nyilvánvaló. A feladat megfogalmazásakor meg kell határozni a tervezés (modellezés) célját, és fel kell felmérni a kiindulási információkat (pl. műszaki követelmények, szabványok, stb.).

A megfelelően megfogalmazott problémától el kell vonatkoztatnunk ahhoz, hogy modellt tudjunk építeni a probléma megoldásához. Az elvonatkoztatás célja, hogy a probléma számos tulajdonsága közül azokat emeljük ki, amelyek a modellezni kívánt jelenség szempontjából fontosak. Ez a folyamat mindig függ az adott feladat kitűzésétől, eltérő célok eltérő absztrakciót igényelnek.

Az absztrakt modellt meg kell fogalmaznunk matematikai formában, mivel a modellvizsgálat eredményeként számszerűsített jellemzőket kell kapnunk a fizikai folyamatról. A modell matematikai megfogalmazása különböző megközelítések szerint történhet, azonban a vizsgálandó problémák (hajtáslánc-modellezés) szempontjából jellemző az absztrakt fizikai modellre épülő, ún. white box megközelítés.

A modell alkalmazása a matematikai modellen végzett kísérletet jelent. Ez jellemzően valamilyen, a matematikai modellt magában foglaló szimuláció elvégzése. Fontos, hogy ez nem csak egyszeri alkalmazást jelent, mivel a szimuláció többször is elvégezhető és a kapott eredmények, ill. az újabb felmerülő problémák alapján többször el is kell végezni (másképpen: fejlesztési iteráció).

Végezetül a modell eredményeit össze kell vetni a valóságos tapasztalatokkal (pl. mérési eredményekkel). Ezzel az összevetéssel meghatározható, hogy a modell milyen pontossággal írja le a valóságot, ill. hogy a modell által tett előrejelzések igazak lesznek-e a modell érvényességi tartományán belül (validáció) [4.1.] .

A gépjárművek és a gépjármű-alrendszerek mozgásának vizsgálata általában valamilyen dinamikai probléma vizsgálatára vezethető vissza. Ezeknek a dinamikai problémáknak az elemi építőegysége jellemzően az ún. egyszabadságfokú, vagy egytömegű lengőrendszer^[1], ami egy tömegpontszerűen kezelt test (tömeg) és a testet egy másik testtel összekötő rugó és lengéscsillapító együttes, absztrakt modellje.

4.1. ábra - Egytömegű lengőrendszer modellje

Feltéve, hogy a vizsgált egytömegű lengőrendszer csak egy irány mentén végezhet mozgást, a rendszer modellje a dinamika alapegyenlete () szerint a következő, közönséges másodrendű differenciálegyenlet alkalmazásával írható le:

ahol m a tömeg, a tömeg gyorsulása, a tömeg sebessége, x a tömeg pillanatnyi pozíciója, x ₀ a rugó terheletlen hossza, c a rugóállandó, d a csillapítási tényező, F(t) az esetleges (időben változó) külső gerjesztő erő.

A bemutatott egyenletet mozgásegyenletnek nevezzük [4.2.] . Megfigyelhető, hogy az egyes erőkomponensek (a csillapításból, ill. a rugóerőből adódóak) a test sebességétől, ill. pillanatnyi pozíciójától függenek. Ezt a megfontolást felhasználva két lengőrendszer összekapcsolható olyan formában, hogy a két testet összekötő elemekben ébredő erőkomponensek nem a testek abszolút sebességétől és pozíciójától függenek, hanem egymáshoz viszonyított helyzetüktől, ill. sebességkülönbségüktől. Az ilyen módon összekapcsolt lengőrendszert kéttömegű lengőrendszernek nevezzük.

4.2. ábra - Kéttömegű lengőrendszer modellje

A fenti megfontolások alapján a kéttömegű lengőrendszer első tömegének a mozgásegyenlete a következőképpen írható:

Az előzőhöz hasonlóan a második tömegé:

ahol a jelölések a megfelelő indexálást figyelembe véve megegyeznek az egytömegű lengőrendszernél bemutatott jelölésekkel.

A kéttömegű lengőrendszerhez hasonlóan tetszőlegesen sok tömegből, ill. a közöttük lévő tetszőleges kapcsolatokból álló lengőrendszer is definiálható. Ilyen esetben a lengőrendszert annyi egyenlet írja le, ahány szabadságfoka van, vagyis ahány tömeg alkotja.^[2] Terjedelmi okokból nem térünk ki az összetett lengőrendszerek formális tárgyalására.

A lengőrendszerek nem csak longitudinális, hanem forgómozgást végző formában is értelmezhetők. Ezeket a lengőrendszereket torziós lengőrendszernek nevezzük [4.3.] . Ez a megközelítés különösen fontos a tengelykapcsolók vizsgálatánál, mivel a tengelykapcsolók, ill. a hajtáslánc hozzájuk kapcsolódó részei is rendszerint forgómozgást végeznek.

4.3. ábra - Egytömegű torziós lengőrendszer

Forgómozgást végző rendszer esetén a dinamikai egyenletek azonos alakúak a korábban bemutatott egyenletekkel, viszont a mozgásmennyiségek és a jellemző paraméterek a forgómozgásnak feleltethetők meg. Az egytömegű lengőrendszer viselkedését leíró egyenlet torziós lengőrendszer esetén a következőképpen írható:

ahol Θ a tömegnek a torziós lengőrendszer forgástengelyére számított tehetetlenségi nyomatéka, a tömeg szöggyorsulása, a tömeg szögsebessége, φ a tömeg pillanatnyi pozíciója, φ ₀ a rugó terheletlen pozíciója, c a torziós rugóállandó, d a torziós csillapítási tényező, M(t) az esetleges (időben változó) külső gerjesztő nyomaték.

A differenciálegyenlettel adott lengőrendszer a megfelelő kezdeti feltételek (x(0),(0)) hozzárendelésével kezdetiérték-feladatot jelent, amely numerikus módszerekkel megoldható. A különböző numerikus módszerek alkalmazásának számos módja van, többek között léteznek erre a célra szolgáló szoftverrendszerek, amelyek akár grafikus eszközökkel is segítik a felhasználót a probléma matematikai megfogalmazásában és megoldásában. Ilyen rendszer például a MATLAB/Simulink, amely elterjedten alkalmazott eszköz a dinamikai modellek és a hozzájuk kapcsolódó irányítási rendszerek szimulációs problémáinak megoldásában.

Figyeljük meg a műveletvégző elemek megfeleltethetőségét a mozgásegyenlet szerint! (1/s az integrálás műveletét jelöli az integrálás Laplace-transzformáltjának jelölése szerint)

4.4. ábra - Példa egytömegű lengőrendszer modelljének megvalósítására MATLAB/Simulink környezetben.

(a mozgásegyenletek megoldásai (0,0) kezdeti feltételekkel, m=1 kg, c=3 N/m, d=0,8 Ns/m, x₀=0 m)

4.5. ábra - Példa egytömegű lengőrendszer modelljének egységugrás (F(t)=1 N, t≥0 s) gerjesztőerőre adott válaszfüggvényeire

A lengőrendszerek vizsgálata szempontjából nem csak az időtartományban kapott megoldásfüggvények jelentősek, hanem az is, hogy, ha F(t) gerjesztőerő harmonikus, vagy harmonikus komponenseket tartalmaz, akkor F(t) frekvenciájának függvényében milyen viselkedést mutat a lengőrendszer. Ennek leírásához – terjedelmi korlátok miatt bővebb magyarázat nélkül – vezessük be a (csillapítatlan) sajátkörfrekvencia fogalmát. A sajátkörfrekvencia a lengőrendszer tulajdonsága, értéke a rugóállandótól és a tömegtől függ, a következő összefüggés szerint:

Hasonlóképpen vezessük be a csillapítási arányszám fogalmát is:

A csillapítási arányszám kitüntetett értékekkel rendelkezik. Ha ξ<1, alulcsillapítottnak, ha ξ>1, túlcsillapítottnak, ha ξ=1 akkor kritikusan csillapítottnak, ha pedig ξ=0 akkor csillapítatlannak nevezzük a rendszert. A saját körfrekvencia és a csillapítási arányszám ismeretében számítható az ún. rezonanciafrekvencia:

A rezonanciafrekvencia tulajdonsága, hogy adott amplitúdójú F(t) gerjesztőerő esetén a lengőrendszer kitérése maximális, ha F(t) frekvenciája megegyezik a rezonanciafrekvenciával. A rezonanciaállapot, ill. a lengőrendszer maximális kitérése a gyakorlatban általában kerülendő, mivel a szerkezet tönkremenetelét okozhatja. A lengések amplitúdójának szerkezetre káros mértékű növekedése azonban nem csak a rezonanciafrekvencia értékénél, hanem annak környezetében is felléphet. Ahhoz, hogy minden frekvencián megvizsgálhassuk a rendszer viselkedését, elő kell állítani a rendszer ún. frekvenciaátviteli függvényét. (A frekvenciaátviteli függvény meghatározását terjedelmi okokból nem mutatjuk be. A gyakorlatban célszerű az elterjedt numerikus módszereket alkalmazni a frekvenciaátviteli függvény meghatározásához.) A frekvenciaátviteli függvény a gerjesztés frekvenciájának a függvényében megadja a gerjesztés és a gerjesztett rendszer amplitúdójának a viszonyát, valamint a gerjesztett rendszer lengéseinek a fázisát a gerjesztéshez viszonyítva. Ebből következően a jellemző ábrázolásmódja egy olyan diagrampár, ahol az egyik diagram az amplitúdóviszonyt, a másik pedig a fázist ábrázolja a frekvencia függvényében. Ezeknek a diagramoknak több, egymástól elsősorban elnevezésükben eltérő, de tartalmilag azonos változata is elterjedt, ilyenek pl. a lengéstani irodalomban megtalálható rezonanciadiagramok, vagy a rendszertechnikában használatos Bode-diagramok.

(erőgerjesztés és elmozdulás közti átvitel)

4.6. ábra - Egységnyi paraméterű egytömegű lengőrendszer Bode-diagramjai különböző csillapítási arányszámok esetén

Az előzőleg bemutatott tulajdonságból következik, hogy a gépszerkezetek tervezésénél célszerű arra törekedni, hogy a csillapítási arányszámot növeljük, vagy a rezonanciafrekvenciát a szerkezet paramétereinek (tömeg, rugómerevség) megváltoztatásával olyan értékűre „hangoljuk”, ahol rendeltetésszerűen nem, vagy csak nagyon rövid ideig üzemel a rendszer.

Fontos megemlíteni, hogy a fentebb bemutatott modellek, illetve matematikai megfogalmazásaik lineárisak. Ez matematikai szempontból azt jelenti, hogy az egyenletek baloldala a mozgásmennyiségek legfeljebb elsőfokú (lineáris) függvénye, gyakorlati szempontból pedig azt, hogy érvényes rájuk a szuperpozíció elve. Ez az egyszerűsítés a gyakorlati alkalmazások során nem mindig állja meg a helyét, ilyen esetekben kiegészítő módszerek alkalmazása válik szükségessé.

A gépjármű-hajtásláncok dinamikai modellje számos, különböző megközelítés szerint felépíthető. Az alkalmazott módszereket meghatározzák az aktuális tervezési, vizsgálati célok, elsősorban a 4.2.1. szakasz - Tengelykapcsoló automatikus működtetése pontban megfogalmazott általános elvek szerint. Eltérő modelleket célszerű alkalmazni például a belsőégésű motorok által gerjesztett rezgések hatásainak vizsgálatához, a nyomatékváltók tervezési feladataihoz, vagy éppen a tengelykapcsolók működésének vizsgálatához. A különböző modellek bonyolultságukat, az alkalmazott matematikai módszereket, vagy éppen a számításigényüket tekintve jelentősen eltérőek lehetnek, azonban közös jellemzőjük, hogy a megvalósítás általában valamilyen többtömegű csatolt lengőrendszer mozgásegyenleteinek megoldását jelenti.

Általánosan elmondható, hogy a hajtáslánc minél több alrendszerét vagy alkatrészét különböztetjük meg önálló tömegként (minél több tömegből álló lengőrendszermodellt alkotunk) annál pontosabb eredményeket kapunk és annál részletesebben vizsgálhatjuk a hajtásláncban fellépő tranziens jelenségeket.

Példaként a tengelykapcsolók kapcsolási folyamatainak, ill. a kapcsolás során fellépő rezgések járművezetőre gyakorolt hatását a LuK tengelykapcsoló-gyártó az alábbi, hat tömegből álló csatolt lengőrendszer-modell alkalmazásával vizsgálja [4.4.] . A modell előnye, hogy alkalmazásával közvetlenül vizsgálhatók a járművezetőt érő erőhatások, ill a járművezető mozgásállapota. Hátránya, hogy a leíráshoz szükséges hat egyenlet bizonyos problémák esetén nehezebben kezelhető, mint más, egyszerűbb modellek.

4.7. ábra - Hattömegű torziós lengőrendszer modellje (LuK)

A modellben Θ _m a belsőégésű motor, ill. lendkerék, Θ _t a tengelykapcsoló-súrlódótárcsa. Θ _e az erőátviteli berendezések (nyomatékváltó, kiegyenlítőmű, féltengelyek), Θ _k a hajtott kerekek, Θ _b a karosszéria, Θ _j a járművezető redukált tehetetlenségi nyomatéka. Látható, hogy az összes tömeg, azok is, amelyek alapvetően nem forgómozgást végeznek, a belsőégésű motor forgattyústengelyére számított tehetetlenségi nyomatékként van jelen a modellben. Ez a tömegek és tehetetlenségi nyomatékok redukciójának következménye, ami a Steiner-tétel alkalmazásával adódik, amely a hajtáslánc elemeire általánosan a következő alakban írható:

ahol Θ _red egy adott elem redukált tehetetlenségi nyomatéka, Θ az adott elem tehetetlenségi nyomatéka a saját forgástengelyére számítva, i _j a j-edik módosítás (nyomatékváltó, vagy kiegyenlítőmű módosítása, kerék gördülési sugarából adódó módosítás, stb.), n a módosítások száma az adott elem és a redukált elem között.

Ezzel a módszerrel a probléma megoldása jelentősen egyszerűsíthető, mivel a mozgásegyenletek megoldásánál már nem kell tekintettel lenni a módosítások hatásaira (természetesen ehhez a gerjesztőnyomatékokat, erőket is a módosítások figyelembevételével kell meghatározni).

A modell másik meghatározó tulajdonsága, hogy a tengelykapcsoló-súrlódótárcsa és a lendkerék, valamint a nyomatékváltó kapcsolatát részben Coulomb-súrlódást leíró elemekkel modellezi. Ez az elem nehézséget okozhat a modell felépítésénél és alkalmazásánál, mivel a lengőrendszer mozgásegyenleteit nemlineárissá teszi. Másrészről viszont belátható, hogy legalább egy, Coulomb-súrlódást leíró elem alkalmazása megkerülhetetlen a tárcsás tengelykapcsolók dinamikai modelljében, azok működési alapelvéből adódóan. A nemlineáris tulajdonságokból adódó problémák kezelése érdekében ilyen esetekben célszerű a modellt két, szakaszonként lineáris modellre bontani, a jellemző munkapont(ok) körül linearizálni, vagy olyan numerikus megoldási módszert alkalmazni a mozgásegyenletek megoldásához, amely a nemlineáris egyenleteket is képes megoldani.

A fenti modellen túl, a hajtáslánc egyszerűbb modelljei is létrehozhatók és alkalmazhatók. Gyakori például a bemutatott modell öt tömeget magába foglaló változata (járművezető nélkül), amely csak a járműkarosszériáig bezáróan vizsgálja a hajtáslánc viselkedését.

Más megközelítésben a tengelykapcsoló viselkedése vizsgálható olyan modell alkalmazásával is, amelyikben a hajtott kerekek és a járműkarosszéria egy tömeget képez és végtelen tehetetlenségű. Ezzel a közelítéssel a hajtáslánc modellje egy kéttömegű lengőrendszer modelljévé egyszerűsödik [4.5.] . Nyilvánvaló, hogy ezzel az egyszerűsített modellel nem vizsgálható a tengelykapcsoló összes üzemállapota, hanem jellemzően csak a kapcsolás kezdeti, nagy sebességkülönbségű szakasza, ill. bizonyos lengéstani tulajdonságok.

4.8. ábra - Kéttömegű torziós lengőrendszer modellje, mint egyszerűsített hajtásláncmodell

Az előzőleg bemutatott modellek tulajdonságai alapján adódik, hogy a tengelykapcsolók összes üzemállapotban történő vizsgálatához a hajtáslánc egy legalább három tömegből és egy nemlineáris elemből (Coulomb-súrlódás) álló modelljére van szükség [4.6.] [4.7.] .

4.9. ábra - Háromtömegű torziós lengőrendszer modellje, mint egyszerűsített hajtásláncmodell

Ez a modell egy olyan torziós lengőrendszerként hozható létre, amelyben a modellt alkotó három tömeg a következő: a motor forgattyústengelyének és a kapcsolódó alkatrészeknek a tehetetlenségi nyomatéka, a tengelykapcsoló súrlódótárcsájának a tehetetlenségi nyomatéka, és a nyomatékváltó, valamint a jármű összes többi részének (kiegyenlítőmű, kerekek, karosszéria) redukált tehetetlenségi nyomatéka. A modell matematikai megfogalmazása az alábbi egyenletrendszer szerint írható:

ahol Θ _m a motor (forgattyústengely és kapcsolódó alkatrészek) tehetetlenségi nyomatéka, a motor szöggyorsulása, μ a tengelykapcsoló súrlódótárcsájának súrlódási tényezője, tengelykapcsoló-állandó. D _k a tengelykapcsoló súrlódófelületének külső átmérője, D _b a tengelykapcsoló súrlódófelületének belső átmérője, F _n (t) a tengelykapcsolót összenyomó, időben változó normálerő, a motor szögsebessége, M _m (t) az időben változó motornyomaték, Θ _t a tengelykapcsoló súrlódótárcsájának tehetetlenségi nyomatéka, a tengelykapcsoló súrlódótárcsájának szöggyorsulása, a súrlódótárcsa szögsebessége, d a súrlódótárcsa és a nyomatékváltó közötti torziós csillapítási tényező, c a súrlódótárcsa torziós csillapítórugóinak torziós rugómerevsége, φ ₀ a torziós rugó nyugalmi pozíciója, Θ _Re a nyomatékváltó, és a teljes redukált járműtömeg tehetetlenségi nyomatéka, a redukált járműtömeg szöggyorsulása, a redukált járműtömeg szögsebessége, φ _Re a redukált járműtömeg pozíciója, M _t (t) a redukált járműtömegre ható, időben változó terhelés (pl. gördülési és légellenállás, stb.).

Figyelembe kell venni, hogy a modell, az előzőekben bemutatott lineáris rendszerekhez képest kibővült nemlineáris taggal, amire a Coulomb-súrlódás leírása miatt van szükség. Ez a tag súrlódásból adódó nyomatékot határozza meg a motor és a súrlódótárcsa szögsebesség-különbségének előjelétől függően.

A modellt részletesebben szemlélve felmerülhet, hogy M _m (t), F _n (t) és M _t (t) függvények nincsenek egyértelműen meghatározva. Ennek oka, hogy a vizsgált problémától függően többféleképpen is megadhatók. Legegyszerűbb esetben ezek a függvények összetartozó idősorokként, vagy szimbolikusan adott közelítőfüggvényekként (pl. polinomfüggvények) illeszthetők a modellhez. Összetettebb modellek esetén ezek a függvények a teljes problémát leíró modell egy-egy önálló részmodelljeként tekinthetők. Például M _m (t) megadható a belsőégésű motor nyomaték-fojtószelepállás-motorfordulatszám karakterisztikája alapján.

4.10. ábra - Példa motornyomaték-fojtószelepállás-motorfordulatszám karakterisztikára

A motorkarakterisztika kiegészíthető a járművezető egy egyszerűsített modelljével, ami fordulatszám-szabályozást valósít meg egy PI szabályozóval, előállítva ezzel a motorkarakterisztikához szükséges másik szükséges információt, a fojtószelepállást, mint a szabályozás beavatkozójelét. Ezzel a módszerrel biztosítható, hogy a kapcsolási folyamatok szimulációja során a motor fordulatszáma nem csökken nagymértékben, mivel a járművezető-modell megpróbálja azt állandó értéken tartani. A motorfordulatszámot visszacsatolva a járművezető modellje és a motorkarakterisztika hozzákapcsolható a hajtáslánc modelljéhez. A modell tovább bővíthető a tengelykapcsoló-pedál működtetését és a tengelykapcsoló rugóját leíró modellekkel, ezáltal F _n (t) pillanatnyi értéke is meghatározható. M _t (t) pillanatnyi értéke jellemzően a gördülési ellenállás és a légellenállás ismert összefüggései, valamint mérések alapján határozható meg.

4.11. ábra - Háromtömegű hajtásláncmodell motor- és rugókarakterisztikával, valamint járművezető-modellel

Az ilyen módon adott modellt szimulációs környezetben megvalósítva több különböző, a tengelykapcsoló működésére jellemző tranziens üzemállapotot vizsgálhatunk. Példaként a 2.2. szakasz - A tengelykapcsoló működtetés folyamata fejezetben is tárgyalt, a jármű álló helyzetből történő indulási folyamatának szimulációját mutatjuk be.

A szimuláció a következők szerint történik:

A kapcsolási folyamat során elsősorban a szögsebesség-különbségek, ill. a szögsebesség-kiegyenlítődés vizsgálata által vonhatunk le következtetéseket a rendszer működésére vonatkozólag, ezért a szimulációban is elsősorban ezeket a mennyiségeket vizsgáljuk.

Első szimulációs eredményként egy olyan esetet mutatunk be, ahol a hajtáslánc kialakítása dinamikai szempontból nem megfelelő, ezért rezonanciaállapot alakul ki, amely károsíthatja a szerkezetet. Az ábrán látható rezonancia a kapcsolási folyamat során kismértékben változó súrlódási tulajdonságok, ill. a nemlineáris rugókarakterisztika következtében a súrlódónyomatékon keresztül történő gerjesztés következtében jön létre [4.4.] . A gerjesztés frekvenciája 22…24 Hz.

(háromtömegű torziós lengőrendszer modelljén előállított szimulációs eredmény)

4.12. ábra - Rezonanciaállapot kialakulása egytárcsás száraz tengelykapcsoló kapcsolási folyamata során

Előállítva a rendszer frekvenciaátviteli függvényét a súrlódótárcsára ható gerjesztőnyomaték és a súrlódótárcsa szögsebessége között, a Bode-diagramon látható, hogy a frekvenciaátviteli függvény amplitúdóviszonyának maximuma van a 24 Hz-es frekvenciánál. Ez közelítőleg egybeesik a gerjesztés frekvenciájával ezért kialakul a rezonanciaállapot. Adódik, hogy a rezonanciaállapot kialakulása elkerülhető, ha a rendszert úgy módosítjuk, hogy a lokális maximum megszűnjön, vagy más frekvenciaértékhez kerüljön. Ez több paraméter változtatásával is elérhető, de nem minden változtatás előnyös egyéb konstrukciós szempontok miatt. A súrlódótárcsa tehetetlenségi nyomatékának megnövelésével például egyetlen paraméter változtatásával el tudjuk „hangolni” a rezonanciafrekvenciát olyan tartományba, amelyik már jellemzően nem esik egybe a gerjesztés frekvenciatartományával. Ennek a módosításnak a frekvenciaátvitelre gyakorolt a hatása látható az alábbi ábrán is.

(háromtömegű torziós lengőrendszer modelljén előállított szimulációs eredmény)

4.13. ábra - A kiindulási (rezonanciajelenséget mutató) és egy lehetséges módosított egytárcsás száraz tengelykapcsoló és a kapcsolódó hajtásláncelemek Bode-diagramjai

A módosítás után a szimulációt ismételten végrehajtva a kapott eredményeken látható, hogy a módosítás következtében a rezonanciaállapot kialakulása megszűnt a kapcsolási folyamat során.

(háromtömegű torziós lengőrendszer modelljén előállított szimulációs eredmény)

4.14. ábra - Módosított, dinamikai szempontból megfelelő egytárcsás száraz tengelykapcsoló kapcsolási folyamata

A modell nem csak a sebességkülönbségek és a frekvenciaátviteli tulajdonságok vizsgálatára alkalmas, vizsgálhatók vele olyan járulékos jelenségek, amelyek ideális esetben nem befolyásolják közvetlenül a kapcsolási folyamatot, de jelentős hatással lehetnek a szerkezet élettartamára. Ilyen vizsgálat lehet például a kapcsolási folyamat során keletkező veszteségteljesítmény, ill. a kupplungszerkezet túlhevülésének vizsgálata, amelyből következtetéseket lehet levonni a a szerkezet esetleges meghibásodására, ill. a várható élettartamára vonatkozólag. Mivel az alkalmazott modell meghatározza a motor és a súrlódótárcsa sebességét, ezért képezhető belőlük a sebességkülönbség.

(háromtömegű torziós lengőrendszer modelljén előállított szimulációs eredmény)

4.15. ábra - Sebességkülönbség és súrlódónyomaték a motor és a súrlódótárcsa között

A sebességkülönbség és a súrlódónyomaték ismeretében számítható a pillanatnyi veszteségteljesítmény, ami a kapcsolási folyamat során a súrlódásból adódik. A veszteségteljesítmény idő szerinti integrálja alapján számítható a kumulált veszteség, amit felhasználva felső becslés adható a hőmérsékletnövekedés értékére a vizsgált alkatrészek hőkapacitása alapján.

(háromtömegű torziós lengőrendszer modelljén előállított szimulációs eredmény)

4.16. ábra - Veszteségteljesítmény és kumulált veszteség

A tengelykapcsolók tervezésénél az egyik legfontosabb szempont, hogy a tengelykapcsoló a tervezési nyomatékot megfelelő biztonsággal képes legyen átvinni, másfelől viszont korlátozott a tengelykapcsoló súrlódótárcsáját terhelő felületi nyomás, valamint a tengelykapcsoló átmérője. A felsorolt megfontolásoknak megfelelően a tengelykapcsolót úgy méretezzük, hogy a felületi nyomásra teljesüljön a p ≤ p _max összefüggés, ahol p _max a maximálisan megengedhető felületi nyomás. Ezen túl a tengelykapcsoló súrlódó felületeit nyomatékra ellenőrizzük, ill egyéb kötéseit (pl. tengely-agy kapcsolat, súrlódóelemek rögzítése, stb.) nyomatékra méretezzük. Az említett számítások alapösszefüggése a súrlódófelületeken átvihető névleges nyomaték számítására szolgáló összefüggés, ami a következőképpen írható:

ahol z a súrlódófelületek száma, μ a tengelykapcsoló súrlódótárcsájának súrlódási tényezője, D _k a tengelykapcsoló súrlódófelületének külső átmérője, D _b a tengelykapcsoló súrlódófelületének belső átmérője, r a sugár, p pedig a felületi nyomás, ami a következő összefüggés szerint határozható meg:

ahol F _n a tengelykapcsolót összenyomó normálerő [4.8.] .

4.17. ábra - Vázlat az átvihető névleges nyomaték számításához a súrlódófelületen

Fenti összefüggésekkel kapcsolatban érdemes kiemelni, hogy az átvihető nyomaték a külső és a belső átmérő harmadik hatványának különbségétől függ. A gyakorlatban egyes esetekben egyszerűsítésként szokás az átmérők négyzetének különbségével és a középátmérővel számolni, azonban ez a közelítés csak akkor ad elfogadhatóan pontos eredményt, ha a (jellemzően pl. kis átmérőjű, soklemezes nedves tengelykapcsolók esetén).

A tengelykapcsolók és kötőelemeik részletes méretezésének bemutatására nem térünk ki, mivel a vonatkozó irodalom (pl. [4.8.] [4.9.] ) könnyen hozzáférhető, és részletes leírást ad a problémakörről.

A gépjármű-tengelykapcsolók tervezésénél további szempont a tengelykapcsolót alaphelyzetben zárva tartó rugó megfelelő kialakítása. A rugó karakterisztikája befolyásolja a járművezető által kifejtett erő nagyságát és a kapcsolási folyamatot is. A járművezető tehermentesítése és az egyenletes kapcsolási folyamat biztosítása érdekében általában tányérrugókat alkalmaznak erre a célra [4.10] .

4.18. ábra - A tengelykapcsolókban alkalmazott tányérrugó jellemző karakterisztikája és fontosabb munkapontjai

Ezen túlmenően, a tengelykapcsoló axiális merevségének vizsgálatakor figyelembe kell venni a súrlódótárcsa és a ház axiális merevségét is.

A tengelykapcsolók automatikus működtetése szerteágazó problémakör, aminek a relevanciáját az ilyen megoldások egyre szélesebb körű járműipari alkalmazása adja. A tengelykapcsolók részben, vagy teljes mértékben automatizált működtetése több különböző szempont szerint is célszerű lehet. Ilyen szempontok lehetnek például:

Általában elmondható, hogy a tengelykapcsolók automatikus működtetésére nincsenek általános megoldások, hanem adott jármű által meghatározott szempontrendszer szerint történik az irányítási rendszer kialakítása. Mivel a legtöbb automatizálási törekvés megközelíthető abból a szempontból, hogy célja az emberi közreműködés kiváltása, vagy akár az emberi közreműködés minőségi jellemzőit meghaladó irányítási megoldás megvalósítása, ezért a tengelykapcsolók automatizált működtetésének irányítási problémái is vizsgálhatók ebből a szempontból. Ezen túl a különböző automatizált tengelykapcsolóműködtető-rendszerek működési elvének áttekintéséhez célszerű figyelembe venni az irányítási rendszerek felépítésével kapcsolatos alapvető általános ismereteket is.

A problémakör további tárgyalása során – terjedelmi okokból – csak a tengelykapcsolók indítási folyamatával kapcsolatos automatizálási kérdések köréből mutatunk példákat. Ennek megfelelően a szerepeltetett működési elvek, ábrák és összefüggések egyszerűsítettek és hiányosak abban az értelemben, hogy lehetőség szerint nem tartalmazzák azokat az elemeket, amelyek nincsenek közvetlen összefüggésben az indítási folyamat automatizálásával.

A legegyszerűbb irányítási rendszerek, amelyek a tengelykapcsolók működtetéséhez alkalmazhatók, olyan vezérlések (nyílt hatásláncú irányítási rendszerek [4.15.] ), amelyek valamilyen előre meghatározott kiemelőcsapágy-elmozduláskarakterisztika szerint mozgatják a kiemelőcsapágyat a 2.1. szakasz - A tengelykapcsoló működtetés mechanikája fejezetben bemutatott elektrohidraulikus, elektropneumatikus, esetleg elektromechanikus beavatkozó szervek (aktuátorok) segítségével. A kiemelőcsapágy működtetése mellett gyakori megoldás, hogy az irányítási rendszer egyidejűleg módosítja a belsőégésű motor fojtószelepállását is, megnövelt teljesítményleadást biztosítva a kapcsolási folyamat során. Visszatekintve a korábban bemutatott szimulációs modellhez (amely a járművezető viselkedésének egyszerűsített modelljét is tartalmazta), az ilyen módon működtetett tengelykapcsoló jellemezhető a modell elemeivel. Ilyen vezérléssel megvalósított automatizált tengelykapcsoló működési vázlata látható az alábbi ábrán.

4.19. ábra - Nyílt hatásláncú irányítással (vezérléssel) megvalósított automatizált tengelykapcsoló működési vázlata

A korábban bemutatott modellhez képest különbség, hogy az ábrán nem egy modell elemei, hanem a megvalósított elemeket reprezentáló jelölések láthatók (tehát pl. a járművezető modellje helyett a járművezető, a hajtáslánc modellje helyett a hajtáslánc, stb.). További különbség, hogy ebben az esetben a járművezetőről nem feltételezzük, hogy szabályozóként működne (mindazonáltal ettől a feltételezéstől függetlenül működhet ilyen módon), valamint megjelent az irányítási rendszer és a beavatkozószervek.

A kapcsolási folyamat minőségét alapvetően befolyásolja az irányítási rendszer. A bemutatott példában az irányítási rendszer legfontosabb tulajdonsága, hogy nyílt hatásláncú, tehát nem tartalmaz semmilyen visszacsatolást az irányított szakasz állapotváltozóiról (pl. mozgásmennyiségek). Működése azt az egyszerű elvet követi, hogy, ha a járművezető a fojtószelep-referencián (gázpedálálláson) keresztül közli az indulási szándékát, akkor a vezérlés egy előre meghatározott karakterisztika szerint zárja a tengelykapcsolót, a kapcsolási folyamat során pedig kismértékben megnöveli a fojtószelep-referencia értékét, megnövelt motorteljesítmény-leadást biztosítva ezáltal [4.16] . Működési elvéből következően ez az irányítási rendszer csak a legegyszerűbb esetekben alkalmazható, mivel nem biztosítható, hogy az előre meghatározott kapcsolási karakterisztika a környezeti feltételek jelentős változása (pl. vízszintes felület helyett meredek emelkedőn történő indulás) esetén is megfelelő kapcsolási folyamatot fog biztosítani (ld. még.: 2.2. szakasz - A tengelykapcsoló működtetés folyamata).

Az említett problémák kiküszöbölése érdekében általában valamilyen zárt hatásláncú irányítást, vagyis szabályozást valósítanak meg az automatizált tengelykapcsolókat működtető irányítási rendszerek. Az alkalmazott szabályozási köröknek számos különböző megvalósítása lehetséges abban az értelemben, hogy a rendszer melyik állapotváltozója (ill. állapotváltozói) az irányított jellemző. Mivel a kapcsolási folyamat során elsősorban a belsőégésű motor és a hajtáslánc sebességének (fordulatszámának) tranzienseivel szemben támaszthatunk minőségi követelményeket ezért a legelterjedtebben alkalmazott megoldások a belsőégésű motor, ill. a nyomatékváltó fordulatszámának szabályozása a kapcsolási folyamat során. A továbbiakban a belsőégésű motor fordulatszám-szabályozására épülő szabályozási megoldásokon keresztül mutatunk be néhány egyszerűbb szabályozási lehetőséget.

A legegyszerűbb eset a belsőégésű motor fordulatszám-szabályozása olyan módon, hogy közben a tengelykapcsoló működtetése továbbra is vezérelt, vagyis előre meghatározott karakterisztika szerint történik. Ennek a szabályozási megoldásnak a működési vázlata (benne foglalva a szabályozás hatásvázlatát is) látható az alábbi ábrán.

4.20. ábra - A belsőégésű motor fordulatszám-szabályozásával megvalósított automatizált tengelykapcsoló működési vázlata

Az ábrán látható, hogy a motor fordulatszáma az irányított jellemző, amely a negatív visszacsatolás révén szabályozási kört képez (Az ábrán a jelölés a különbségképzést jelenti). Ezt az irányítási megoldást önállóan ritkán alkalmazzák, de számos automatizált tengelykapcsoló-rendszer alapját képezi [4.12.] . A belsőégésű motor kapcsolás közbeni fordulatszám-szabályozásával kapcsolatban megjegyzendő, hogy, bár a bemutatott ábra az irányítási rendszert egyetlen, összefüggő egységként jelöli, a szabályozás, ill. az irányítás megvalósítása általában két alrendszer, a beágyazott hajtásláncirányító egység (Traction Control Unit - TCU) és a beágyazott motorirányító egység (Engine Control Unit - ECU) együttes, összehangolt működése révén történik.

A belsőégésű motor szabályozásán túl lehetőség van a tengelykapcsoló-működtetés szabályozására is. Ennek a jelentősége elsősorban abban áll, hogy az üzemi körülmények változása (pl. hőmérséklet, kopás, stb.) jelentősen befolyásolhatja a kapcsolási folyamatot, ami az előre definiált karakterisztika szerinti tengelykapcsoló-működtetés esetén a kapcsolási folyamat minőségi jellemzőinek romlásához vezethet. Ennek elkerülése érdekében bevezethető a tengelykapcsoló-működtetés szabályozása. Az alábbi egy olyan rendszer működési- ill. hatásvázlatát mutatja, amely a belsőégésű motor fordulatszám-szabályozása mellett a kiemelőcsapágy pozíciószabályozását is megvalósítja.

4.21. ábra - A belsőégésű motor fordulatszám-szabályozásával és a kiemelőcsapágy pozíciószabályozásával megvalósított automatizált tengelykapcsoló működési vázlata

A bemutatott szabályozási módszereknek számos további változata létezik. Mivel a kapcsolási folyamat minőségi jellemzői a motor fordulatszám-tranziense mellett ugyanúgy a hajtáslánc többi elemének fordulatszám-tranzienseihez is köthetők, ezért gyakori a bemutatott szabályozásokhoz hasonló fordulatszám-szabályozás alkalmazása a nyomatékváltó oldalán is, akár a motor fordulatszám-szabályozásával együttesen. A kapcsolási folyamat minőségi jellemzőinek javítása érdekében (pl. ún. félaktív rezonanciacsökkentés céljából) a fordulatszám-szabályozás közvetett módon, a tengelykapcsoló működtetése révén is megvalósítható [4.11.] . Szintén jellemző megoldás a belsőégésű motor és a nyomatékváltó fordulatszám-különbségének szabályozása is [4.13.] [4.14.] . A legösszetettebb szabályozási megoldások egy ún. állapotbecslési algoritmus segítségével képesek meghatározni olyan állapotváltozók értékét is, amelyek nincsenek közvetlenül mérve, vagy a mért jelet jelentős zaj terheli. Az ilyen módon meghatározott értékek felhasználásával további szabályozási körök képezhetők, akár konkurens kialakítással is, amely kialakítás lehetővé teszi, hogy az üzemállapot jelentős megváltozása esetén a megváltozott feltételeknek leginkább megfelelő szabályozás lépjen működésbe [4.11.] [4.13.] .

Irányított rendszerek esetén a szimulációs modell felhasználható arra a célra, hogy az irányítási algoritmus fejlesztési iterációinak egy részét a szimulációs környezetben tegyük meg. A tengelykapcsolók automatizált működtetése esetén az említett irányítási megoldásokat célszerű szimulációs környezetben, a bemutatott dinamikai modellel párhuzamosan fejleszteni.

A szimulációs környezetben létrehozott irányítási algoritmus automatizált eszközökkel átültethető a járműbe olyan módon, hogy a szimulációs környezetben megvalósított irányítási algoritmusból a beágyazott rendszerekben alkalmazható programkód generálható a megfelelő eszközök segítségével.

A szimulációs modell, ill. az általa biztosított szimulációs környezet, valamint az irányítási algoritmus fejlesztése nem sorrendi, hanem iteratív folyamat. Ez azt jelenti, hogy a fejlesztési iterációk jelentős része elvégezhető a szimulációs környezetben, majd, miután az ilyen módon fejlesztett irányítási algoritmus megfelelő viselkedést mutat szimulációs körülmények között, átültethető a járműbe épített beágyazott rendszerbe az említett módszerek alkalmazásával. A járműves mérések és tapasztalatok visszacsatolhatók a szimulációs környezet, ill. modell fejlesztésébe. A cél, hogy a fejlesztési iterációk ciklusainak a lehető legnagyobb hányadát a szimulációs környezetben tegyük meg, mivel ezáltal gyorsítható és olcsóbbá tehető az irányítási rendszer fejlesztése.

4.22. ábra - Irányítási algoritmus modellalapú fejlesztésének folyamata

A hosszanti motorbeépítésnél legtöbbször középső differenciálmű is van, mely szétosztja a nyomatékot az első és a hátsó futóművek között. Fékezés közben a nyitott középső differenciálmű dinamikailag kedvezőbb. A szabályozható hosszanti differenciálzár növeli a vonóerő nagyságát.

A kereszt irányú motorbeépítésnél a középső differenciálmű elhelyezési lehetősége korlátozott. Ezen autók jellemzője az úgynevezett „hang-on”, azaz kiegészítő hajtáslánc, mely szöghajtásból és rendszerint a hátsó futóműnél elhelyezett tengelykapcsolóból áll, melynek zárása automatikusan, vagy adaptív szabályozással működhet. Az utóbbi években egyre több autógyár alkalmazza ezt a hajtásláncot.

5.1. ábra - Az összkerékhajtás alkalmazásának célja

Az összkerékhajtás többlet tüzelőanyag fogyasztással és nagyobb tömeggel jár

A differenciálmű háza és az egyik féltengely közé lemezes tengelykapcsolót szerelnek be, melyet elektrohidraulikus módon lehet működtetni. A zárás fokozatmentesen történik és ha szükséges elérheti a 100% - ot is. A bekapcsolás elektronikusan történik az ABS kerékfordulatszám érzékelő jelei alapján. Az egyik kerék csúszásától függően egy vagy két munkahenger dugattyúival történik a lemezek összeszorítása. Ennek mértéke az elektronikus működtetés miatt már nemcsak a fordulatszám különbségtől, hanem több más dinamikai paramétertől is függhet. Így a legoptimálisabb menetdinamikai állapot valósulhat meg.

A működtetési paraméterek:

Ez az egység együttműködhet az ABS és az ASR szabályozásokkal. Az első beépítése az Audi V8 automatikus sebességváltóval szerelt modelljébe történt.

A GKN fokozatmentes, elektronikusan működtetett differenciálzárat úgy alakították ki, hogy egyaránt alkalmazható legyen a tengelyek közé beépített középső differenciálműbe, valamint az első és a hátsó futóműbe szerelve is.

Elektromos állítómotor kis belső súrlódású mozgató mechanizmus segítségével a differenciálműbe beépített olajlemezes tengelykapcsolót zár.

A villanymotor két fokozatú fogaskerék áttétellel ékpályákkal ellátott emelő lapot fordít el, ami golyósor segítségével hozza létre az axiális működtető erőt. A 10A - nél kisebb áramfelvételű villanymotort a differenciálmű közelében helyezik el. A jelentős mechanikai áttétel ellenére a működtetés reakcióideje kedvező. A differenciálzár oldása a villanymotor forgásirányának megváltoztatásával lehetséges. Nem szükséges visszaállító rugó.

A záró hatás befolyásolható

Nyolc lemez párral például a differenciálzár 1600 Nm nyomatékot képes átvinni. Jól együttműködik az ABS rendszerrel, mert a fékpedál megmozdításától számított 100ms - on belül nyitja a differenciálzárat, így nem befolyásolja hátrányosan az ABS működését. Az ABS kerékfordulatszám érzékelők jeleit használja fel. Működése közben az elektronika a gépkocsi sebességén kívül figyelembe veszi a féklámpa kapcsoló jelét, a kormánykerék elfordítását, a bekapcsolt sebességfokozatot. Elektronikus vezérlésénél figyelembe vehetők az autógyárak speciális igényei is. Az érzékeny működtetés azt is lehetővé teszi, hogy első kerék hajtású autók differenciálművébe beszerelhető legyen. Zárási foka változtatható, emiatt személygépkocsiknál és terepjáróknál egyaránt alkalmazható.

A futóműbe, a differenciálmű közelébe beépített egynél nagyobb áttételű jobb és bal oldalon egy-egy hajtómű egység és két, többnyire elektronikusan működtetett olajlemezes tengelykapcsoló segítségével a hajtó nyomaték egy részét, a menetviszonyoktól függően az egyik, vagy a másik kerékre helyezi át. Ha az egyik futóműnél az egyik kereket ez a kiegészítő hajtómű egység gyorsítja, a gépkocsira az egy perdítő nyomatékot fejt ki és a hatása hasonló a kormányzáséhoz. Hasonló hatást fejt ki az ESP is, csak az egy kerék fékezésével teszi. Ezzel stabilizálja a gépkocsit úgy, hogy a vezető szándékának megfelelően fog haladni. A nyomaték áthelyezős differenciálmű tehát az egyik kerék fékezése helyett, a másik kereket gyorsítja. A nyomaték áthelyezéses, vagy más néven sport differenciálműnek is szokták nevezni, szorosan együttműködik az ESP rendszerrel. Több változatát is gyártják és sikerrel alkalmazzák a rally sportban. A nyomaték áthelyezős hajtómű egységgel ellátott differenciálművet rendeltetésének megfelelően, gyakran sport differenciálműnek is szokták nevezni. Az Audi -nál például ez „drive select” rendszer részét képezi.

5.2. ábra - Nyomaték áthelyezéses differenciálmű jelképes ábrázolása

Az összkerékhajtású személygépkocsiknál a visco technikát az olajlemezes tengelykapcsolók alkalmazása követte. Az elektronika ezt a pillanatnyi menetállapotnak megfelelően tudja működteti és összkerékhajtásúvá válik a gépkocsi. Ehhez különböző érzékelők jeleit veszi figyelembe.

A tengelykapcsoló működtethető:

Ez az olajlemezes tengelykapcsoló a középső differenciálművet helyettesíti. Közvetlenül a hátsó futómű elé szerelik fel.

Amikor a gépkocsi első és hátsó kerekei között a különböző tapadási tényezők miatt fordulatszám különbség alakul ki, a lökettárcsa a görgők közvetítésével mozgatni kezdi az olajszivattyú gyűrű alakú dugattyúját. Az így létrejött olajnyomás egy csatornán keresztül a munkahenger dugattyújára hat és egymáshoz szorítja a tengelykapcsoló házba szerelt külső és belső lemezeket. A tengelykapcsolón keresztül nyomaték adódik át a hátsó kerekekre is. Az olajlemezes tengelykapcsoló által átvitt nyomatékot alapvetően az elektronikusan vezérelt fojtószelep helyzete határozza meg. Automatikus működéséhez a motor, a blokkolásgátló és a féklámpa kapcsoló elektromos jeleit használja fel az összkerékhajtást működtető elektronika. A bemeneti információk közül a legfontosabbak:

5.3. ábra - Haldex LSC első generációs változat hidraulikus működési elve

Az első generációs változat

Ez az összkerékhajtás a gépkocsi menetdinamikai állapotát figyelembe veszi a különböző érzékelők jelei alapján. Elektronikusan működteti az olajlemezes tengelykapcsolót, mely megvalósítja az összkerékhajtást.

A Haldex LSC –t (Limited Slip Coupling) a korlátozott csúszású tengelykapcsolót A Haldex tengelykapcsoló a középső differenciálművet helyettesíti. Közvetlenül a hátsó futómű elé szerelik fel. A kardántengely forgatja a bemeneti tengelyt, a kimeneti a kúpkerék, mely a hátsó differenciálmű tányérkerekét hajtja.

5.4. ábra - Haldex LSC első generációs változat szerkezeti kialakítása

5.5. ábra - Haldex LSC első generációs változat hidraulika rendszere

A Haldex tengelykapcsolós összkerékhajtás előnyei:

Működés

Ha az első és a hátsó kerekek fordulatszáma azonos, a lökettárcsával működtetett szivattyú nem szállít olajat. Fordulatszám különbség esetén viszont azonnal elkezdődik az olajszállítás, ami a tengelykapcsolót működtető munkahengerben nyomást hoz létre. Az olaj mennyiségét és nyomását egy az elektronika által működtetett fojtószelep állítja be. A felesleges olaj visszakerül a kiegyenlítő tartályba. Ha a hajtott kerekek kipörgése miatt nagy fordulatszám különbség alakul ki, akkor nagyobb a tengelykapcsolót működtető nyomás, ha a kerekek fordulatszáma csak kissé tér el, például kanyarban, akkor lényegesen kisebb nyomást hoz létre a szivattyú.

A szabályozó szelepet mozgató villanymotort közvetlenül a tengelykapcsoló házba szerelik be. Közös egységet alkot a Haldex elektronikával, mely azt feszültséggel látja el. Fogaskerék-fogasléc áttétel segítségével állítja be a nyomásszabályozó tolattyú helyzetét. Ezzel változtatja a lemezeket egymáshoz szorító nyomást.

Az olajtérben egy hőmérséklet érzékelőt is elhelyeznek. Ennek jele alapján tudja az elektronika kiegyenlíteni a viszkozitás változását. Ha a mért hőmérséklet nagyobb 100^°C-nál a tengelykapcsoló oldja az összkerékhajtást. Ha a hőmérséklet 100^°C alá csökken a tengelykapcsoló ismét bekapcsol, ha a menetviszonyok miatt ez szükséges.

5.6. ábra - Haldex LSC első generációs változat szivattyú, munkahenger és az olajlemezes tengelykapcsoló elvi ábrázolása

Az elektronika

A Haldex LSC elektronikája CAN bus hálózaton keresztül adatátviteli kapcsolatban van a gépkocsi többi elektronikájával. A motor, az automatikus sebességváltó a fékrendszer és az összkerékhajtás közötti adatcsere miatt a Haldex LSC nem igényel a működéséhez külön jeladókat. Ez alól csak az olajhőmérséklet érzékelő kivételével. A bemeneti információkat a tengelykapcsoló házára felszerelt elektronika dolgozza fel. Az adatok folyamatos elemzése révén a tengelykapcsoló működtetését a tényleges igénybevételnek megfelelően az elektronika végzi a vezető beavatkozása nélkül.

Az ABS elektronikától érkező kerékfordulatszám jelek alapján szabályzási folyamat során alakul ki a tengelykapcsolóval átvitt nyomaték, mely automatikusan alkalmazkodik a gépkocsi hajtásdinamikai állapotához. Ha például homokos talajon nagy gyorsulással indul a gépkocsi, akkor a tengelykapcsoló a lehető legnagyobb nyomatékot viszi át, hogy mind a négy keréken a lehető legnagyobb vonóerő valósulhasson meg. Kis ívű kanyarban, amikor a parkoló helyre állunk be a tengelykapcsoló teljesen nyitott, nem visz át nyomatékot, ami megkönnyíti a manőverezést. A Haldex LSC szabályozását nem befolyásolja, ha a gumiabroncsok különböző mintázatúak és a gépkocsi vontatható akkor is, ha az egyik futóművet megemelték.

A Haldex fejlesztette ki az elektronikát, melyet a tengelykapcsoló házba építik be. Multichip modul technológiával (MCM) készült és így elviseli a szélsőséges hőmérsékleteket, a rezgést és a különböző szennyeződéseket. A fojtószelep a teljesen nyitott, illetve zárt állapot között a pillanatnyi helyzete határozza meg a tengelykapcsolón kialakuló nyomaték nagyságát. A szoftver alap-, és alkalmazástechnikai részből áll. A tengelykapcsoló működését az alapszoftver irányítja, az alkalmazástechnikai szoftver pedig a külső kapcsolatrendszer valósítja meg a gépkocsi kommunikációs rendszerével, mely lehetővé teszi az illesztést a különböző gépkocsi típusokhoz.

A Haldex LSC nagyon gyors működésű, mintegy 10 fokos kerék elfordulási szög után már beavatkozik, ha szükséges és megszünteti a kerékcsúszást. Kisebb kerék fordulatszámoknál is hasonlóan gyorsan reagál. A tengelykapcsoló 3-4 1/perc kerékfordulatnál már működésbe lép, függetlenül attól, hogy a be-, vagy a kihajtó tengely forog gyorsabban. A fordulatszám különbség függvényében az átvitt nyomatékot az alsó és felső szint között a fojtószelep helyzete határozza meg, de ennek nagysága a tengelykapcsoló részek egymáshoz képesti elfordulási szögétől is függ. A meredek felfutás miatt a kerekek nem pörögnek ki, mert a tengelykapcsoló már akkor működésbe hozza az összkerékhajtást, amikor a gépkocsivezető még nem észlel kerékcsúszást.

5.7. ábra - Haldex LSC hajtómű egységről elszerelt elektronika a szabályozó tolattyúval és részletei

Haldex tengelykapcsoló működése a gépkocsi különböző üzemi körülményei között:

A Haldex LSC műszaki jellemzői:

5.8. ábra - Haldex LSC CAN hálózati kapcsolatai

A Haldex LSC 4. generáció fontosabb jellemzői

Állandó, azonnali nyomaték átadás valósul meg a hátsó futómű felé is. Ez kiküszöböli az első kerékhajtású viselkedést induláskor. Javítja a kerekek tapadást csúszós útfelületeken, mint például jégen, vagy nedves füvön. Javítja a gépkocsi vezetési tulajdonságát, csökkenti az alulkormányzott viselkedést, különösen jó tapadású útfelületeken, mint például száraz aszfalton, betonon. Normális működés közben kis nyomaték veszteséggel működik. Gyorsan reagál a nagy kerékcsúszásra. A reakció idő normál hőmérsékleten kisebb 80ms - nál. Kedvezőbb a gépkocsi tüzelőanyag fogyasztása. Működés közben az átlagos áram felvétel kisebb 1A –nél. A legnagyobb áramfelvétel kisebb 7A - nél. A szerkezet teljes tömege 7,5 kg. Az átvitt nyomaték 1380 Nm.

További működési jellemzők:

5.9. ábra - Haldex LSC IV generáció hidraulikus működtetése

5.2.5.1. ZF torque vectoring nyomatékáthelyezéses differenciálmű

5.10. ábra - A nyomaték felosztása és a vonóerők kanyarban

5.11. ábra - AZF Torque Vectoring-nál alkalmazott elektronika működésének blokkvázlata

5.12. ábra - A ZF Torque Vectoring hatása a gépkocsi menetdinamikájára

Ez a funkció a fullhibrid járműveknél lehetséges. Ilyenkor csak a villamos gép hajtja meg a járművet, a belsőégésű motor leválasztásra kerül. A jármű csöndben, szinte hangtalanul és lokális emisszió nélkül közlekedik

6.1. ábra - Tisztán villamos hajtás

A hibrid üzemmódba tartozik a belsőégés motor és a villamos gép közösen szolgáltatja a szükséges forgatónyomatékot a jármű hajtására (6.2. ábra - Villamos rásegítés). A nyomatékelosztáson kívül a vezérlőegység figyeli a káros anyag kibocsátást, az akkumulátor töltöttségi szintjét és az üzemanyag-fogyasztást is.

Villamos rásegítéskor a belsőégésű motor és a villamos gép forgatónyomatékot szolgáltat a jármű megfelelő hajtásához. Ha hirtelen megnő a nyomatékigény a hibridvezérlő utasítást ad a villamos gépnek, hogy támogassa a belsőégésű motort pozitív nyomatékkal. Gyorsításkor a belsőégésű motor alacsonyabb fordulatszámánál kevesebb nyomatékot szolgáltat, ilyenkor a villamos gép szolgáltatja a nagyobb nyomatékot (6.2. ábra - Villamos rásegítés).

6.2. ábra - Villamos rásegítés

Az energiatároló egység töltése a következőképpen történhet. A belsőégésű motor a kerekek hajtása mellet, a villamos gépet is meghajtja, így generátor üzembe helyeződik. Másik lehetőség a fékezés során villamos visszatöltés a kerekek felől. A visszatöltés során a belsőégésű motor több forgatónyomatékot szolgáltat, mint amennyi szükséges a jármű hajtásához. A többlet teljesítményt a villamos gép felhasználja az akkumulátorok töltésére (6.3. ábra - Járműhajtás és töltés üzemmód).

6.3. ábra - Járműhajtás és töltés üzemmód

A fékenergia visszatöltésnél nem vagy csak részben fékeződig az üzemi fékek hatására, ilyenkor a villamos gép fékezőnyomatéka lassítja a járművet. A villamos gép generátor üzembe kapcsol és a jármű mozgási energiáját villamos energiává alakítja, amivel tölti az akkumulátorokat (6.4. ábra - Rekuperáló fékezés). A visszatápláló fékezést rekuperáló fékezésnek is nevezik.

6.4. ábra - Rekuperáló fékezés

A hibrid járművekben alkalmazzák főként a Start/stop funkciót, de csak belsőégésű motorral ellátott járművek is rendelkezhetnek ilyen rendszerrel. Feladata, hogy álló járműnél a belsőégésű motort automatikusan leállítsa. A leállítás létrejön, ha:

Amint a járművezető a tengelykapcsolót benyomja, a megerősített indítómotor megforgatja a belsőégésű motor főtengelyét.

A mildhibridek az alábbi funkciókkal rendelkeznek:

A villamos gép és a belsőégésű motor forgatónyomatéka összeadódik. Maximálisan 20kW kimenő teljesítményt tud biztosítani a villamos gép. Ezt a járműindulásnál és gyorsításnál használja.

A belsőégésű motor és a villamos gép együtt forognak mivel nem kapcsolható szét a két egység.

A fullhibrid tisztán villamos hajtásra is képes és ezekkel hosszabb távolságok megtételére is képes. Ilyenkor csak a villamos gép hajt, a belsőégésű motor nem működik. A villamos hajtás rendszer 200-350V-os feszültségen működik.

Plug-in, azaz a tölthető fullhibrid. Az akkumulátor pakk nem csak visszatáplálás révén belső hálózatról tölthető, hanem külső forrásból (például: hálózati csatlakozóból) is. A külső töltés speciális csatlakozón keresztül történik.

Egy hibrid jármű felépítése nagy vonalakban meghatározza a kapcsolat az energia áramlásának irányait meghatározó komponensek és az irányító portok között. Hagyományosan a „HEV”-ek két fő típusra bonthatóak: soros és párhuzamos. Érdekes lehet megjegyezni, hogy 2000-ben néhány újonnan bemutatott HEV egyik csoportba sem volt sorolható. Ezért a hibrid elektromos járműveket manapság négy csoportba sorolhatjuk: soros hibrid, párhuzamos hibrid, soros-párhuzamos hibrid illetve komplex hibrid (a következő ábrák mutatják be ezeket). Az ábrákon az üzemanyagtartály, belsőégésű motor, valamint az akkumulátor-elektromos motor párok adottak, mint példák az elsődleges (állandó) erőforrásra és a másodlagos (dinamikus) erőforrásra. Természetesen a belső égésű motor kicserélhető más típusú erőforrásra is, mint például üzemanyagcellára. Ugyanígy az akkumulátorok is kicserélhetőek ultrakapacitásokra, vagy lendkerekekre, esetleg ezek kombinációjára, melyeket részletesen tárgyalunk a következő fejezetekben.

6.7. ábra - Soros hibrid

6.8. ábra - Párhuzamos hibrid

6.9. ábra - Soros - párhuzamos hibrid

6.10. ábra - Komplex hibrid

A soros hibrid hajtáslánc egy olyan hajtáslánc melynél a két erőforrás egy hajtóművet táplálnak (villamos gép) mely a járművet hajtja. A legelterjedtebb soros hibrid hajtáslánc a 6.11. ábra - Soros hibrid-elektromos hajtáslánc látható. Az egyirányú energiaforrás az üzemanyagtartály, az energia-átalakító pedig egy belsőégésű motor, egy elektromos generátorhoz csatlakoztatva. A generátor kimenete egy elektromos-átalakítón átmenő buszhoz csatlakozik (egyenirányító). A kétirányú energiaforrás egy akkumulátor, mely egy elektronikus átalakítón (DC/DC konverter) keresztülcsatlakozik a buszhoz. A busz ezen kívül csatlakozik még az elektromos motorvezérlő elektronika egységéhez is. A villamos gép használható erőforrásként vagy generátorként is, kétirányú nyomatékkal. Ehhez a hajtáslánchoz kellhet egy akkumulátortöltő is, mely az elektromos hálózatról tölti az akkumulátorokat, tehát Plug-in üzeme is van.

6.11. ábra - Soros hibrid-elektromos hajtáslánc

A soros hibrid elektromos hajtásláncnak a következő üzemi módjai lehetségesek:

A soros hibrid hajtáslánc előnyei:

A soros hibrid hajtásláncoknak vannak hátrányai is:

6.4.2.1. Párhuzamos hibrid-elektromos hajtásrendszer

6.12. ábra - Párhuzamos hibrid-elektromos hajtáslánc

A párhuzamos hibrid elektromos hajtáslánc olyan hajtáslánc, amely a motor nyomatékot mechanikus módon juttatja el a kerekekhez úgy, mint egy hagyományos belső égésű motoros járműnél. Egy elektromos motor segíti, mely mechanikusan kapcsolódik a váltóműhöz. A belsőégésű motor és az villamos gép nyomatékát egy mechanikus csatolás egyesíti (6.12. ábra - Párhuzamos hibrid-elektromos hajtáslánc). A belsőégésű motor és a villamos gép mechanikai csatolása sok különböző beállításnak ad teret, melyeket később részletesebben tárgyalunk.

6.4.2.1.1. Nyomatékösszegző hibrid-elektromos hajtásrendszer

6.12. ábra - Párhuzamos hibrid-elektromos hajtáslánc látható mechanikus csatolás lehet nyomaték vagy sebesség-összegzéses. A nyomaték-összegzés a motor és az elektromos motor nyomatékát összeadja, vagy a motor nyomatékát két részre bontja: meghajtás és akkumulátortöltés. A 6.13. ábra - Nyomatékösszegzés az elméletben elméletben mutatja be a nyomaték-összegzést, melynek két bemenete van. Egyik a motorból a másik pedig az elektromos motorból. A mechanikus nyomaték-összegző kimenete a mechanikus váltóműbe megy.

Ha elhanyagoljuk a veszteséget, a kimeneti nyomaték és szögsebesség leírható:

és

ahol k ₁ és k ₂ konstansok, a nyomaték-összegzés paraméterei által meghatározva. A (6.14. ábra - Mechanikus nyomaték-összegzők) ábrán a leginkább használatos mechanikus nyomaték-összegzők listája látható.

Többféle változata van a nyomaték-összegzéses hibrid hajtásláncoknak. Két csoportra bonthatók, egy, illetve kéttengelyes típusokra. Mindkét kategóriában a váltómű különböző helyekre tehető, és más áttételekkel tervezhető, mely eltérő vonókarakterisztikát eredményez. Az optimális tervezés nagyrészt az elvárásoktól függ, például a motor mérete és karakterisztikája, vagy az villamos gép mérete és karakterisztikája stb.

6.13. ábra - Nyomatékösszegzés az elméletben

6.14. ábra - Mechanikus nyomaték-összegzők

A 6.15. ábra - Kéttengelyes konstrukció a két-tengelyes változatot mutatja be, ahol két váltóművet használunk: az egyik a belsőégésű motor és a nyomaték-összegző között helyezkedik el, a másik pedig a nyomatékösszegző és az villamos gép között kap helyet. Mindkét váltómű egy vagy többfokozatú. Egyértelmű, hogy a két váltó sok vonóerő profilt hoz létre. A hajtáslánc kihajtó nyomatéka sok féle és a hatékonysága kiemelkedő lehet, mert a két többsebességű váltó több lehetőséget teremt mind a motor mind az elektromos vontatórendszer (villamos gép és akkumulátor) számára, hogy az optimális tartományukban üzemeljenek. Ez a tervezés nagyobb rugalmasságot is biztosít a motor és az elektromos motor karakterisztikájának tervezésekor. Ugyanakkor két többsebességes váltómű nagyban megbonyolítja a hajtásláncot.

6.15. ábra - Kéttengelyes konstrukció

A 6.15. ábra - Kéttengelyes konstrukció alapján hajtóműként használható egy vagy több sebességes váltómű. Alapvetően a többfokozatú hajtómű a belsőégésű motorhoz az egyfokozatú a villamos motorhoz van kötve.

A sebességváltóként üzemelő hajtómű a belsőégésű motort illeszti a jármű hajtáshoz. Az általában lassító áttételű konstans áttételű hajtás a villamos motor méreteinek és leadott áramának a csökkentését teszi lehetővé, növelve a villamos hajtás hatásfokát.

6.16. ábra - Kéttengelyes konstrukció jelleggörbével

A párhuzamos hibrid hajtásláncok egy másik fajtáját láthatjuk az 6.16. ábra - Kéttengelyes konstrukció jelleggörbével, ahol a váltómű a nyomatékösszegző és a kardántengely között helyezkedik el. A váltó így a belsőégésű motor és az elektromos motor nyomatékát egyszerre viszi át. A nyomatékösszegzőbe tervezett áttétel biztosítja az elektromos motor számára, hogy más fordulatszámtartományban üzemeljen, mint a belső égésű motor; így egy nagy fordulatszámú motor használható. Ez az összeállítás akkor használható, ha relatív kis belsőégésű motor és elektromos motor van használatban, és egy többsebességes váltó szükséges a vonóerő létrehozásához alacsony sebességeknél.

6.17. ábra - „pretransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid

A nyomaték-összegzős párhuzamos hibrid egyszerű és kicsi verziója az egy tengelyes konfiguráció, ahol az elektromos motor rotorja működik nyomaték-összegzőként (k₁=1 és k₂=1), ahogy a 6.17. ábra - „pretransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid és 6.18. ábra - „posttransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid látható. A váltó lehet az villamos gép után, mely így egy tengelykapcsolón keresztül csatlakozik a belsőégésű motorhoz, vagy lehet a belsőégésű motor és a villamos gép között. Az első az úgynevezett „pretransmission” (a motor a váltó előtt van, 6.17. ábra - „pretransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid), utóbbi pedig ún. „posttransmission” (a belsőégésű motor a váltó után van, 6.18. ábra - „posttransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid).

A „pretransmission” konfigurációban, a váltó mind a motor nyomatékát mind pedig az elektromos motor nyomatékát átalakítja. A két erőforrásnak azonos fordulatszám tartományban van. Legtöbbször kis belsőégésű motor esetén használják, úgynevezett gyenge hibrid hajtásláncként, ahol az elektromos motor a motor beindítására, elektromos generátorként, motor erő segédként és a fékezési energia visszanyerésére szolgál.

6.18. ábra - „posttransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid

6.19. ábra - Párhuzamos hibrid hajtás külön tengelyen

A „posttransmission” konfiguráció esetén (lásd 6.18. ábra - „posttransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid) a váltómű csak a belsőégésű motor nyomatékát tudja átalakítani, míg az elektromos motor nyomatéka egyből a hajtott kerekekhez megy. Ez a hajtáslánc akkor használatos, ha egy nagy elektromos motor sokáig egy tartományban üzemel. A váltó feladata csak az, hogy változtassa a motor használatát, ezzel növelve a jármű teljesítményét és hatékonyságát. Fontos megjegyezni, hogy az akkumulátorok nem tölthetőek a motor által az elektromos motor generátorként való használatával, amikor a jármű egyhelyben áll és az elektromos motor közvetlenül a hajtott kerekekkel csatlakozik.

Az elválasztott tengelyes felépítés magában hordozza a hagyományos járművek néhány előnyét. A motort és a váltót változatlanul hagyja, és a másik tengelyre helyez egy elektromos rendszert. Ezen kívül négy kerék meghajtású lehet, mely csúszós úton nagyobb tapadást biztosít, és egy kerékre kevesebb vonóerőt juttat.

Hátránya, hogy az elektromos berendezések és az esetleges differenciálmű nagy helyet foglalnak, és így csökkentik az utasok és csomagok számára fenntartott helyet. Ez a probléma megoldható, ha a váltó egysebességes, és az elektromos motor helyét két kisebb elektromos motor veszi át, melyek két kerékhez külön helyezhetőek el. Megjegyzendő, hogy az akkumulátorok nem tölthetők a motor által álló helyzetben.

6.4.2.1.2. Fordulatszám összegző hibrid-elektromos hajtásrendszer

Két erőforrás ereje a sebességük összevonásával is egyesíthető (lásd: 6.20. ábra - Sebesség összegző). A sebesség-összegzés karakterisztikája leírható:

ω out =k 1 ω in1 +k 2 ω in2

és

T out =T in1 /k 1 =T in2 /k 2

Ahol k₁ és k₂ konstansok, az aktuális tervezéstől függőek.

6.20. ábra - Sebesség összegző

A 6.21. ábra - Gyakori sebességösszegző berendezések két jellegzetes sebesség-összegző berendezést mutat be: az egyik egy bolygómű a másik pedig egy elektromos motor egy állórésszel, melyet ez a könyv csak „transmotor”-nak nevez. A bolygómű egy három részes egység, mely egy napkerékből (1), egy külső gyűrűből (2) és egy kengyelből (3) áll. Az elemek közötti nyomaték és sebességrelációk jelzik, hogy ez egy sebesség-összegző berendezés, melyben a sebesség, a napkerék és a külső gyűrű adódnak össze és a kengyelen át adják le az energiát. A k ₁ és k ₂ konstansokat a fogaskerekek mérete és fogainak száma határozzák meg.

6.21. ábra - Gyakori sebességösszegző berendezések

Egy másik érdekes berendezés a transmotor, melynél az állórész, mely általában a kerethez rögzített, egy kimeneti port. Másik két része a rotor és a légnyílás melyeknél az elektromos energia mechanikus energiává alakul át. A motor sebessége, a rotornak az állórészhez viszonyított sebessége. Az akció-reakció törvény miatt, a rotoron és állórészen lévő nyomaték mindig ugyanakkora, és konstansként: k ₁ =1 és k ₂ =1.

6.22. ábra - Bolygóműves sebességösszegző rendszer

Ugyan úgy, mint a nyomaték-összegzéses berendezésekkel, a sebesség-összegző berendezésekkel is többféle hajtáslánc hozható létre. A motor nyomatékát a napkerékig egy tengelykapcsoló és egy sebességváltó közvetíti.(lásd 6.22. ábra - Bolygóműves sebességösszegző rendszer). A váltó átalakítja a belsőégésű motor sebesség-nyomaték karakterisztikáját a kívánalmaknak megfelelően. Az elektromos motor nyomatékát egy fogaskerék adja át a bolygómű-külsőgyűrűéhez. Különböző üzemi módok eléréséhez az 1-es és a 2-es fékkel ( zárral ) rögzíthető a napkerék és a külső gyűrű a jármű fix keretéhez. A következő módok lehetségesek:

1. Hibrid hajtás: mindkét fék nyitott állapotban van, akkor a motor és az elektromos motor is pozitív sebességet és nyomatékot szolgáltat a hajtott kerekeknek.

2. Belsőégésű motorikus mód: a 2-es zár a kerethez zárja a külső gyűrűt, az 1-es zár nyitva van, csak a motor szolgáltat nyomatékot a hajtott kerekeknek.

3. Elektromos mód: az 1-es zár a kerethez zárja a napkereket, (a motor le van állítva vagy a kuplung kikapcsolt állapotban van), a 2-es zár nyitva van és csak az elektromos motor szolgáltatja vonóerőt.

4. Az 1-es zár zárva van, a belsőégésű motor leállt vagy a kuplung leválasztja, az elektromos motor pedig energia visszanyerő módban van (negatív nyomaték). A jármű kinetikus energiája az elektromos rendszer által tárolható.

5. Akkumulátortöltő mód: ha az irányítás negatív sebességet ad meg az elektromos motornak, akkor az a motorból szerez energiát.

A sebesség-összegzéses hibrid hajtáslánc előnye, hogy a két erőforrás szétválasztott, így mindkettő szabadon választható. Ez az előny olyan erőforrásoknál fontos mint a Stirling motor vagy a gázturbinás motor, ahol a hatékonyság sokkal inkább a fordulatszámon múlik és nem a nyomatékon.

Elektrokémiai akkumulátorok, olyan elektrokémiai eszközök, amelyek kémiai úton elektromos energiát állítanak elő. Az akkumulátor több energia cellából épül fel.

A cella egy független és teljes egység, amely elektrokémiai tulajdonságokkal rendelkezik.

Alapvetően egy akkumulátor cella három főbb részből áll: két elektródát (pozitív és negatív) és az elektrolit, amibe az elektróda el van belemerítve.

6.23. ábra - Akkumulátor főbb részei

Az akkumulátorgyártók meghatározzák az akkumulátor kapacitását (coulometriás, amper-óra), és a kisütési diagramot (6.24. ábra - Kisülési feszültség esés).

6.24. ábra - Kisülési feszültség esés

6.25. ábra - Kisülési karakterisztika a savas akkumulátoroknál

Általában, kisebb kapacitásnál, nagy kisülési áram arány, amint a 6.25. ábra - Kisülési karakterisztika a savas akkumulátoroknál is mutat. Az akkumulátorgyártók ezt az arányt adják meg a termékein.

Például egy akkumulátor címéjén 100Ah a C/5 kisütési sebesség van feltüntetve.

Egy másik fontos paramétere az akkumulátornak a SOC (State Of Charge=töltöttségi fok). Az SOC a teljesen feltöltött kapacitáshoz viszonyított fennmaradó kapacitás aránya.

Ezáltal egy teljesen feltöltött akkumulátort SOC értéke 100%-os, és egy teljesen lemerült akkumulátor SOC értéke 0%-os. Azonban, a "teljesen lemerült" akkumulátor néha okoz zavart, mert a különböző kapacitásoknak eltérő a kibocsátási aránya, és eltérő a kisütési cut-off feszültség (6.24. ábra - Kisülési feszültség esés).

Az SOC változás egy időbenintervallum, dt, a kisütés és töltés áram „i” lehet kifejezni

ha Q (i) az amper órás akkumulátor kapacitása a jelenlegi ütemben i.

A kisütés, i pozitív, és a töltés, i negatív. Így, a SOC az akkumulátor lehet kifejezni, ha SOC₀ a kezdeti értéke SOC.

A EV és HEVjárműveknél az energia kapacitást fontosabbnak tartják, mint a coulometriás kapacitás (amper-óra), mivel az közvetlenül a jármű működését befolyásolja.

A táblázat bemutatja az elektrokémiai akkumulátorok tulajdonságait.

Az EV és a HEV járművek gyakori start/stop műveletei miatt, az energiatároló kisütés és a töltés profilja igen változatos. Az energiatároló átlagos energiafelhasználásánál energiacsúcsok jelentkeznek, mint például gyorsítás, vagy hegymenet, viszont vannak olyan helyzetek mikor visszatölthetünk az akkumulátorokba. Hogy megfelelő mennyiségű töltést használjunk, fel ultrakapacitásokat alkalmazunk. Az akkumulátorok egy lejtőn visszatáplált energiamennyiségének csupán egy részét képesek befogadni, míg a kapacitások nagy töltésmennyiséget tudnak raktározni rövid idő alatt. Természetesen ezt a töltésmennyiséget az energiacsúcsoknál használjuk fel. Így képesek vagyunk a csúcsokat „kisimítani”.

Nem újdonság kinetikai energiát hasznosítani energiatárolásra. 25 éve a svájci Oerlikon Engineering Company készítette el az első személyszállító busz energiatároló lendkereket. A lendkerék 1500kg tömegű és 3000 percenkénti fordulatű volt és az elektromos hálózatot táplálta, ha állt a jármű.

6.5.3.1. Lendkerekek működési elve

A forgó lendkerék kinetikus energiát tárol

,

ahol a J _f a lendkerék pillanatnyi tehetetlensége [kgm²/sec], az ω _f a lendkerék szögsebessége [rad/sec]. Az egyenlet azt mutatja, hogy a lendkerék szögsebességével, geometriájával és tömegével növelhető az energiakapacitás. Jelenleg egyes prototípusok 60,000 fordulat/perces fordulatszámmal forognak. A technika mai állása szerint, nehéz közvetlenül mechanikai energiát tárolni. A lendkerék meghajtásához szükséges egy fokozatmentesen változtatható váltómű, azaz CVT (continuous variation transmission) széles áttétel aránnyal. Általában használt megoldás, ha a villamos gép közvetlenül vagy áttétellel forgatja meg a lendkereket, vagy táplálja vissza, ez az úgynevezett mechanikus energiatároló. A villamos gép, úgy működik, mint energia bemenet és kimenet, Átalakítja a mechanikai energiát villamos energiává vagy fordítva, ahogy a 6.26. ábra - Lendkerék elvi ábra is mutatja.

6.26. ábra - Lendkerék elvi ábra

6.27. ábra - Tipikus lendkerék geometriája

A töltet csere folyamatkor a friss töltet a hengerbejutáskor felmelegszik és a nyomása csökken az áramlási veszteségek (elsősorban a szívó csatorna és a szelepek ellenállása) miatt. A szívószelepek a kipufogásó ütem vége (a felsőholtpont) előtt nyitnak és csak az alsóholtpont után zárnak teljesen. A kipufogó szelep az expanzió végé előtt nyílik, a közeg nyomása pedig csökken, de az áramlási veszteségek miatt a nyomása környezeti nyomás felett marad. A fentiek hatására a közegcsere folyamat során, a közegen kell munkát végezni, azaz egy negatív munkaterület alakul ki

7.4. ábra - A friss tölte kialakulása

A belépő levegő, illetve levegő tüzelőanyag keverék tömegének (m _lev ) egy része a szelep együtt nyitás miatt a kipufogó rendszeren keresztül távozik az égéstérből, mint öblítő levegő (m _ö ). Így a friss töltet:

Azonban még a az öblítő levegő hatására sem zárható ki, hogy füstgázok maradnak (m _m ) az égéstérben, így a valós kialakuló töltet tömege (m _t ):

A szelep együttnyitás és az égéstérben kialakuló áramlási viszonyok optimalizálásával elő lehet segíteni a töltési fok növelését a távozó füstgázok szívóhatásának segítségével. Ezen dinamikus hatás optimalizálását változtatható szelepvezérléssel oldják meg.

A kialakuló töltetett a töltési fokkal (λ _t ) jellemezzük. Ez a hengerbe bejutott valóságos friss töltet tömegének viszonya az elméleti friss töltet tömegéhez.

Az elméleti friss töltet:

A töltet tömege:

- az elméleti töltet környezeti állapotú közeggel töltve fel a hengert.

Így a töltési fok:

A töltési fok növelés lehetőségei:

7.5. ábra - A töltési fok a fordulatszám függvényében

A kialakuló töltetre és így a töltési fokra jelentős hatást gyakorol fordulatszám. Alacsony fordulatszámon az alacsony áramlási sebességek miatt nem alakul ki megfelelő áramlás. A fordulatszám növekedésével javul ez a hatás így nő a töltési fok. Azonban a fordulatszám növekedésével nőnek az áramlási veszteségek és a motor hőterhelése, így a töltet melegszik és bizonyos fordulatszám felett ismét romlik a töltési fok. Ez a jelenség hatással van a motorok jelleg görbéjére.

A kompresszió kezdetén a friss töltet átlag hőmérséklete alacsonyabb mint fal hőmérséklete, így hőt vesz fel a falaktól (7.6. ábra - Az elméleti és valóságos kompresszió). A kompresszió folyamán a közeg hőmérséklete növekszik, egy adott helyzetben a fal és a közeg átlag hőmérséklete megegyezik, és kialakul egy un,. adiabatikus pont. Utána a közeg hőmérséklete tovább nő és a hőátadás iránya megváltozik a közeg ad le hőt a falak irányban. A hőátadás az égési folyamat során tovább növekszik, majd csökken az expanzió során. Az égéstérben kialakuló hőátadást három típusba lehet sorolni:

Konvektív hőátadás

Legjelentősebb hőátadási tag, jelentősen függ az áramlási és hőmérséklet viszonyoktól. Számítására és mérésére számos módszert ismert.

Gázsugárzásos hőátadás

Égési folyamat során illetve az expanzió elején a különböző égéstermék gázok által kibocsátott keskeny hullámhossz tartományban kibocsátott illetve elnyelt hőt értjük gázsugárzásos hőátadásnak

Lángsugárzási hőátadás

Az égési folyamat során kialakuló magas hőmérsékletű részecskék –világító láng– által folyamatos színképű hő kibocsátást nevezzük lángsugárzásnak

7.6. ábra - Az elméleti és valóságos kompresszió

A normális égési folyam során a tüzelőanyagot a égéskezdeti pont(ok)ból elinduló lángfront gyújtja meg. A lángfront terjedési sebességét számos tényező befolyásolja:

Az égési folyamatot az un. elégett tüzelőanyag hányaddal lehet jellemezni, jelölése x_b. Az elégett tüzelőanyag hányad az égéskezdetékor 0 (0%), számos definíció alapján akkor beszélünk valós égéskezdetkor, ha a tüzelőanyag 5% már elégett. Az égés végén ha a tüzelőanyag 100 %-a elég, más definíciók szerint akkor lehet égésvégről beszélni ha a tüzelőanyag 95%-a már elégett.

7.7. ábra - A valós égési folyamat az égéshossz függvényében

Az égési folyamatot szemléletesebben az elégett tüzelőanyag hányad idő vagy főtengely szög szerinti deriváltjával lehet bemutatni (7.7. ábra - A valós égési folyamat az égéshossz függvényében).

Az égési folyamatot gyakran az un. „Vibe” függvény segítségével írják le. Az égéstérben legyen „n” tüzelőanyag-levegő keverék molekula, ebből „n _e ” lép reakcióba [7.1.] . A keverék molekulák változása a reakcióba lépő molekulák figyelembe vételével:

Ahol „a” az arányossági tényező. Ezt idő szerint differenciálva:

A reakcióba lépő molekulák változási sebességét az összes molekula számához viszonyítva egy relatív sűrűség határozható meg:

Ezt a relatív sűrűséget az időszerinti differenciál egyenletbe helyettesítve és integrálva 0-τ időtartam között:

Figyelembe véve, hogy az égés kezdetén a molekulák száma „n ₀ ” az égéstérben lévő tüzelőanyag hányad:

Így az elégett tüzelőanyag hányad:

Vibe a következő közelítést adja a relatív sűrűség integráltájára 0-t időtartam között:

Így:

Ahol

A főmunkafolyamat során főként az égési folyamat során a gázok egy része a dugattyú és persely közti réseken a kartertér felé távozik. Ez a közeg nem végez munkát így veszteséget okoz. Ezt a veszteséget nevezzük gázveszteségnek vagy „Blow-by”-nak. Mértéke függ a motor kopottságától és a hőmérsékletétől (7.8. ábra - A gázveszteség kialakulása).

A korszerű motorokon a kartertérből távozó gázt nem lehet a környezetben engedni a szigorú károsanyag kibocsátási előírások szerint, hanem általában egy folyadék leválasztó után –esetleg egy szelepen keresztül– a szívóvezetékbe vezetik vissza!

7.8. ábra - A gázveszteség kialakulása

Az adott üzemmódhoz tartozó levegő-tüzelőanyag keverék meghatározása tervezési kérdés. Ennek oka, hogy más-más légfelesleg tartozik az optimális fogyasztáshoz, teljesítményhez és károsanyag kibocsátáshoz (8.5. ábra - Az effektív hatásfok és az effektív középnyomás a légfelesleg függvényében).

8.5. ábra - Az effektív hatásfok és az effektív középnyomás a légfelesleg függvényében

Legnagyobb effektív nyomás és az ezzel arányos maximális teljesítmény levegőben szegény keverék esetén adódik (λ=0,9-0,95). Ennek magyarázata elsősorban a lángterjedési sebességben keresendő. A folyamat termodinamikai hatásfoka akkor a legmagasabb, ha felső holtpontban történik a hőfelszabadulás (égés) azaz a dugattyú felső holtpontjában égetjük el a keveréket végtelen égési sebességgel. Ez azonban nem megvalósítható, így a legjobb hatásfokot akkor tudjuk megvalósítani, ha az égési sebesség a maximális. Legnagyobb lángterjedési sebesség léghiányos keveréknél adódik (λ=0,85-0,9), nem a sztöchiometrikus (λ=1) keveréknél.

Optimális fajlagos fogyasztás levegőben dús keverékhez tartozik (λ=1,05-1,10). Ennek két legfőbb oka, hogy itt a munkaközeg fajlagos hőkapacitása növekszik, így kisebb a lánghőmérséklet, és a falnak leadott hő, továbbá az inhomogenitások miatt ennél a keveréknél a legjobb tüzelőanyag kihasználtsága (elégése).

A hármashatású katalizátor (NSCR) szempontjából optimális a sztöchiometrikus (λ=1) körüli keverék.

Az adott, megválasztott optimumtól bizonyos üzemmódokban el kell térni:

A hengerenkénti befecskendező rendszerek terjedtek el először, ennek főbb okai a következők:

8.8. ábra - Hengerenkénti befecskendezés vázlata

A hengerenként befecskendező rendszerekben (MPI, Multi Point Injection vagy Port Injection) minden henger szívó vezetékben található egy befecskendező amely által porlasztott tüzelőanyag elsősorban a zárt szívószelepre fecskendezi be a tüzelőanyagot, amely elsősorban annak a felületéről párolog el és ezzel elkezdődik a homogén tüzelőanyag gőz és levegő keverék kialakulása. A kezdeti rendszerek esetén a befecskendezők folyamatosan adagolták a tüzelőanyagot (pl. Bosch-K Jetronik rendszerek), később egyszerre, vagy párokban szekvenciálisan, majd minden befecskendező szekvenciálisan fecskendez be.

Ezen rendszereknél un. felső betáplálású befecskendezőket alkalmaznak. A befecskendezőket több szempontból is lehet típusokra bontani. Egyik megoldás az un. csapos befecskendezők, itt a szeleptű és a fúvóka furat között a tekercs által kinyitott gyűrűrésen keresztül áramlik ki kúp formájában a tüzelőanyag. Furatos kialakítású befecskendezők a tű előtt elhelyezett lap furatain keresztül áramlik ki a tüzelőanyag. Ezt a megoldást elsősorban több –szívó- szelepes konstrukciók esetén alkalmazzák. Az úgynevezett oldalsó bevezetéses befecskendezőket központi befecskendező rendszereknél alkalmaznak. Fontos megemlíteni, hogy a befecskendezők jelentkeznek holtidővel, amely időnél rövidebb nyitási idő esetén nincs befecskendezés. A befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét elsősorban a tüzelőanyag viszkozitása és sűrűsége befolyásolja.

8.9. ábra - Központi befecskendezés vázlata

A központi befecskendezők (SPI, Single Point Injection; 8.9. ábra - Központi befecskendezés vázlata) egyszerűbb kialakításúak, elsősorban a katalizátorok megjelenésével terjedtek el. A hengerenkénti egyforma keverék létrejötte nem biztosított ezeknél a rendszereknél, viszont a légfelesleg tényező szabályzása megoldható. Ezen rendszereknél un. oldalsó betáplálású befecskendezőket alkalmaznak.

A közvetlen befecskendezésű rendszerek részben egyesítik a Diesel-motorok és az Ottó-motorok előnyeit. Kis terhelésnél a fojtószelep igen nagy fojtást, veszteséget okoz az Ottó-motorban. A direkt befecskendező rendszer ilyenkor teljesen kinyitja a fojtószelepet, így az égéstérben igen nagy légfelesleggel jön létre a keverék. A gyújthatóság illetve a tökéletes égés csak az un. réteges keverékképzéssel valósítható meg. Ez azt jelenti, hogy az égéstér gyújtógyertya körüli térrészben van csak tüzelőanyag, illetve ennek keveréke levegővel. Ehhez a befecskendezés a kompresszió-ütemben történik (8.10. ábra - Közvetlen befecskendezésű rendszer működése)

8.10. ábra - Közvetlen befecskendezésű rendszer működése

Ma ezt az inhomogén keverékképzésű üzemmódot kevés gyártó alkalmazza, azonban a direkt befecskendezés igen elterjedt. Ennek előnyei a hagyományos külső keverékképzéssel szemben elsősorban köztes terhelési üzemmódokban a következők:

Viszont számos hátrányt is lehet tapasztalni:

A benzin befecskendező rendszerek három fő egységből épülnek fel; a tüzelőanyag rendszer, melynek eleme a befecskendező, a levegő rendszer és a vezérlő-szabályzó elektronika (ECM, vagy ECU; 8.11. ábra - A befecskendező rendszer működése [8.4.] ). A tüzelőanyag rendszer a benzintartályban tárolja a tüzelőanyagot, innen a általában egy szűrő után a táp szivattyú továbbítja a tüzelőanyagot a befecskendező felé, 2-3 bar nyomáson. Több féle tüzelőanyag szivattyú konstrukció létezik:

A hagyományos rendszereknél a tüzelőanyag – szívótér nyomást - a vezérlés egyszerűsítése érdekében- állandó értékre szabályozzák, erre a célra szolgál a tüzelőanyag rendszerben található nyomás szabályozó, azonban számos korszerű rendszernél ezt már elhagyják.

8.11. ábra - A befecskendező rendszer működése [8.4.]

A korszerű belsőégésű motorok el-nem égett szénhidrogén kibocsátása alacsonyabb mint a tüzelőanyag tartály párolgása –főleg magas környezeti hőmérsékleten- ezért gondoskodni kell a tüzelőanyag gőzök ártalmatlanításáról, erre a célra egy regeneráló rendszert építenek be, amely megfelelő körülmények –elsősorban nagy teljesítmény és üzem meleg rendszer- között a gőzöket a szívó vezetékbe visszavezeti (EVAP szelep) így azok a motorban kerülnek felhasználásra.

A levegő a levegőszűrön keresztül lép be a szívó rendszerbe, a következő elem általában levegő hőmérséklet jeladó. Ennek segítségével tudja a ECM meghatározni és korrigálni levegő sűrűségét. Erre a célra a korszerű rendszereknél általában NTC illetve PTC ellenállás-hőmérőket alkalmaznak. A következő elem a teljesítmény szabályzásra szolgáló fojtó szelep. Hagyományos rendszerekben (pl. gázbovdenes) alapjárat esetén a fojtó szelep teljesen bezáródik. Ezeknél a rendszereknél az alapjárati levegő szabályzására egy megkerülő ágat alkalmaznak, melyen áramló levegő mennyiségét pl. egy kitöltési tényezővel vezérelt szelep (ISC) segítségével szabályozza az ECM. Korszerűbb rendszerek esetétén a szervo vezérlésű fojtószelep nem záródik be teljesen, a helyzetével szabályozható az alapjárati levegő mennyisége. Így szabályozható az alapjárati fordulatszám. A rendszer következő fontos eleme a levegő mennyiség jeladó. Ennek legelterjedtebb változatai:

Ezután a szívócsőben keveredik a levegő a tüzelőanyaggal. A harmadik elem a vezérlő-szabályzó elektronika.

A motorirányító rendszernek számos típustól függő bemenete van, ezek közül a legáltalánosabb jeladó és jelek:

Az motor hőmérséklet jeladó általában NTC vagy PTC jeladó, ennek az alapján végzi a hidegindítási dúsítást az ECM, illetve bizonyos rendszerek esetén csak az üzem meleg motor esetén engedélyezi a teljes terhelést. Egyes rendszereknél ez kiegészül a kenőolaj hőmérséklet mérésével is.

A megfelelő akku feszültség a feltétele a motor indításának, de jelentős a szerepe a befecskendező szelep(ek) karakterisztikájára is (pl. szelep holtideje).

A lambda-szonda segítségével nyílik lehetőség a füstgáz O₂ tartalmából meghatározni a keverék minőségét és arra szabályozni. A lambda szondák két alapvető típusa:

8.12. ábra - A főtengely helyzetet (CAS) jeladó a tárcsával.

A fordulatszám jeladók általában egy fogas vagy jeladó tárcsa mellett elhelyezet induktív magnetosztatikus vagy magnetorezisztív vagy Hall jeladó amely segítségével az ECM meghatározza a fogak közti időből a fordulatszámot, valamint leggyakrabban fog kihagyásból az időzítéshez szükséges főtengely helyzetet (CAS, 8.12. ábra - A főtengely helyzetet (CAS) jeladó a tárcsával.). Ez elegendő információ egy központi befecskendezéses és parazita vagy mechanikus gyújtású rendszer üzemeltetéséhez. Viszont egy szekvenciális hengerenként MPI rendszernél, vagy tisztán elektromos gyújtás rendszernél nem elegendő tudni a felsőholtpont (FHP) időpontját, szükséges tudni, hogy az munka ütemi vagy közegcsere FHP. Erre a célra szolgál általában a vezérmű tengelyen található jeladó (CMP, 8.13. ábra - A vezérműtengely helyzetet (CMP) jeladó a tárcsával.).

8.13. ábra - A vezérműtengely helyzetet (CMP) jeladó a tárcsával.

A befecskendező rendszer vezető ECM működése több részre osztható. Az alap vezérlő rendszer a motor fordulatszáma a beszívott levegő mennyiség alapján rendelkezik egy alap befecskendező mátrixszal, ennek több elnevezése ismert, angolul a „map” németül a „kennfeld” kifejezést használják, melyek gyakran a magyar nyelvbe is beszivárognak (8.15. ábra - Az alap befecskendezés mátrix a MOTEC programozható ECM szoftverében). Ennek alapján lehet vezérelni az alapműködést, azaz a befecskendező (SPI) vagy befecskendezők (MPI, FSI) nyitási idejét és a befecskendezés időpontját, a nyitási időt a fejletség alapján különböző paraméterek (hűtővíz hőmérséklet, levegő hőmérséklet, akkumulátor feszültség, stb.) segítségével tovább lehet korrigálni. A következő szinten a megfelelő feltételek teljesülése esetén –pl. szélessávú lambda-szonda üzem készsége- a lambda szabályzás korrigálja a befecskendezés idejét. Ebben a mátrixban a programozó megadhatja, hogy az egyes üzemi pontokban milyen légfeleslegre kíván a szabályozni a rendszer. A következő szint a terhelésváltozás igény, azaz a dinamikus tulajdonságok. Erre vonatkozó igényt az ECM a gázpedál, vagy a szabályzó szelep pozíció változásából határozza meg. Ebben az esetben vagy csak egy vektor, vagy ismét egy mátrix segítségével növeli vagy csökkenti a befecskendezés idejét az ECM. Ilyenkor a lambda szabályzás ki is kapcsolhat. Természetesen nem csak a befecskendezés idejét vezérli a rendszer, hanem hasonló módszerrel a gyújtás és egyéb rendszerek pl. füstgáz visszavezetés mértékére is léteznek hasonló mátrixok (lásd 8.14. ábra - Az befecskendezés vezérlés és szabályozás felépítése)

8.14. ábra - Az befecskendezés vezérlés és szabályozás felépítése

8.15. ábra - Az alap befecskendezés mátrix a MOTEC programozható ECM szoftverében

Az alábbi fejezetben részletesebben bemutatjuk azokat a szenzorokat, melyek speciálisan a belsőégésű motor menedzsment rendszerekben kerülnek felhasználásra, többségük nem csak Otto- de pl. Diesel-motorokban is felhasználásra kerülnek.

8.4.5.1. Torlasztó lapos levegőmennyiség jeladó

A torlasztó lapos levegőmennyiség jeladót leginkább a kezdeti rendszereknél alkalmazták, mivel jelentő méretű és szívási veszteségeket is okoz. Az áramlásba egy rugóval ellen feszített torlasztó lap helyezkedik el, melyet a belépő levegő a mennyiséggel arányosan nyit ki. A nyitás mértékét egy potenciométer jelez az ECM számára. A tömegáram meghatározásához egy levegő hőmérséklet jeladóval egészül ki a rendszer. A torlasztó lap lengéseit az oldalkamrában elhelyezkedő kiegyenlítő lap csillapítja (8.16. ábra - A torlasztó lapos levegőmennyiség jeladó felépítése [8.3.] ).

8.16. ábra - A torlasztó lapos levegőmennyiség jeladó felépítése [8.3.]

8.4.5.2. Hődrótos jeladó

A Hődrótos vagy hőhuzalos levegőmennyiség működése során az áramlásba helyezett S_F ellenállás hőmérsékletét azaz annak ellenállását a szabályzó elektronika állandó értéken tartja. Az áramlási sebesség növekedésével az ellenállás hűtése nő, azaz növelni kell a fűtést az állandó hőmérsékleten tartás érdekében. A közeg hőmérsékletének változását a S₀ segítségével kompenzálja a szabályzó (8.17. ábra - A hődrótos levegőmennyiség jeladó felépítése [8.3.] ).

SF –hődrót, S0 –környezeti hőmérséklet kompenzáció

8.17. ábra - A hődrótos levegőmennyiség jeladó felépítése [8.3.]

8.4.5.3. Hőfilmes levegő mennyiség jeladó

A hőfilmes rendszereknél az áramló levegő egy bizonyos részáramát bevezetik a mérőeszközbe. Fontos, hogy ez a bevezető geometria úgy legyen kialakítva, hogy ne tudjon turbulens áramlás kialakulni (8.18. ábra - A hőfilmes levegőmennyiség jeladó felépítése [8.3.] ).

A szenzor mérőcellájának közepén található egy fűtő ellenállás. Ehhez viszonyítva a belépő és kilépő oldalon, szimmetrikusan a két, NTC (esetleg PTC) hőmérséklet jeladó helyezkedik el (S1 S2). Ha nem áramlik levegő a mérőcellában, a hőmérséklete a két jeladónak megegyezik (T1=T2)

Amikor levegő áramlik, a fűtő ellenállás felmelegíti azt, így a kilépő oldalon lévő ellenálláshoz melegebb levegő jut, mint mikor a belépő oldalon beáramlott, vagyis különbözni fog a jeladó hőmérséklete (T1<T2).

S2 hőmérséklete arányos a beáramlott levegő mennyiségével, mivel két hőmérséklet különbségét hasonlítjuk össze. Beszívott levegő hőmérséklet független lesz az eljárás, az előjel megkülönböztetése pedig az áramlás irányára ad következtetést. A nagyon kis méretek miatt a szenzor reakció-ideje jellemzően <15 ms.

8.18. ábra - A hőfilmes levegőmennyiség jeladó felépítése [8.3.]

8.4.5.4. Kétállású lambda-szonda

A kétállású szonda mérőcellája egy ZrO₂ (cirkonoxid) kerámia szilárdtest-elektrolit –aktív- jeladó, amely összehasonlítja a kipufogógázok oxigén tartalmát a referencia légkörben lévő oxigén koncentrációval. A szilárdtest-elektrolit hozzávetőleg 350 °C felett engedi át az oxigén ionokat. Hideg motornál, illetve hidegebb füstgáz mérését is lehetővé téve, fűtött kivitelben is készülnek.

A λ=1 tartományban a füstgáz oxigéntartalma ugrásszerűen változik, a két határfelület között a különböző oxigénhányad miatt a szenzor két oldala között elektromos feszültség mérhető. A kialakuló szondafeszültség λ<1 értéknél 800..1000 mV, míg λ>1 esetén 100 mV körüli (8.19. ábra - Két állású lambda-szonda karakterisztikája [8.3.] ). A λ=1 értéknél az U_s feszültség 450..500 mV. A feszültsége függ a kipufogógáz hőmérsékletétől.

8.19. ábra - Két állású lambda-szonda karakterisztikája [8.3.]

8.4.5.5. A szélessávú lambda-szonda

A széléssávú lambda-szondával a kipufogógáz oxigén tartalmát szélesebb tartományban meg lehet határozni. Megfelelő szabályozó elektronikával a 0,7 < λ < ∞ tartományban meg tudja határozni a λ pontos értékét.

A szonda alapvetően egy Nerst-cellából (kétállású lambda-szonda) és egy oxigénszivattyú cellából épül fel (8.20. ábra - Szélessávú lambda-szonda felépítése [8.3.] ).

1: kipufogó cső, 2: érzékelő fűtés, 3: szabályzó elektronika, 4: referencia lev. cella, 5: diffúziós rés, 6: Nerst cella, 7: oxigénszivattyú cella, 8: védőréteg, 9: porozús diffúziós gát

8.20. ábra - Szélessávú lambda-szonda felépítése [8.3.]

Működése során a szivattyúcella elektródáit U_p szivattyúfeszültség alá helyezzük, ennek hatására megindul az oxigén beáramlása vagy kiszivattyúzása a diffúziós gáton át a kipufogógázból. Az U_p feszültséget pedig úgy szabályozzák a Nerst-cella alapján, hogy a diffúziós résben a λ=1 állandó érték álljon fenn. Az U_p érték negatív, ha levegőben szegény a keverék, pozitív, ha levegőben dús, értéke pedig U_p=0, ha a sztöchiometrikus arány áll fenn. (lásd 8.21. ábra - A szélessávú lambda-szonda karakterisztikája [8.3.] )

8.21. ábra - A szélessávú lambda-szonda karakterisztikája [8.3.]

Kopogásos égésről abban az esetben beszélünk, ha az égés nem molekuláról molekulára terjedve, hanem annál sokkal nagyobb sebességgel zajlik le. Az égéstérben a gyújtás után a lángfront folyamatosan terjed a gyertya környezetéből kiindulva, ennek hatására a még el nem égett részek nyomása és hőmérséklete is növekedni kezd. Amennyiben ez egy kritikus határ fölé emelkedik a tüzelőanyag molekulák égéséhez égés-előkészítő reakciók beindulnak. Egy gyenge az égési folyamattal együtt járó nyomás hullám hatására, vagy a kémia reakciók előrehaladásával egy tüzelőanyag halmaz pillanatszerűen elég. Ennek hatására egy nagyobb intenzitású nyomás hullám indul el, ami a többi, a fenti égés-előkészítő reakciókon már átment molekula halmazt szintén begyújtja, erősítve ezzel a nyomás hullámot. A nyomáshullám frekvenciája közel megegyezik a dugattyú átmérőjével azonos, mindkét végén lezárt cső saját frekvenciájával - az adott gázhőmérséklethez tartozó hangsebesség mellett. Ez a frekvencia 6-10 kHz-re adódik, és az emberi fül számára hallható tartományba esik, enyhén csilingelő hangot ad (9.10. ábra - Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája.).

(a spektrumon megfigyelhető 13 KHz körüli rezgés a nyomásmérő sajátfrekvenciájából adódik!)

9.10. ábra - Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája.

A jelenség igen káros a motor szerkezeti elemeire. Egyrészt fokozza a hőátadást a dugattyú, illetve a fal irányába, másrészt a nyomás lengés növeli a szerkezeti elemek igénybevételét.

Megszüntetésének következő lehetőségei adottak:

A tüzelőanyagok kopogási hajlamát az oktán számmal jellemezzük. Ez fejezi ki, hogy az adott keverék annyira hajlamos a kopogásra, mint a normál-heptánból és a kopogásálló izooktánból álló keverék. Az a keverék, amely csak izooktánból áll, annak oktánszáma 100, amely csak normál-heptánt tartalmaz annak az oktánszáma 0. Régebben ólom-tetraetilt kevertek a tüzelőanyagba a kopogási hajlam csökkentésére, ami környezetvédelmi okokból teljesen visszaszorult.

9.5.1.1. Kopogásos égés felügyeleti rendszer

A kopogásos égés elkerülése érdekében a korszerű gyújtás rendszerek esetén komplex szabályzást alkalmaznak. Ennek érzékelő eleme a kopogás szenzor, felépítése a 9.11. ábra - Kopogásos szenzor [9.7.] látható. A szenzorban a piezó kerámia elem a kopogási frekvencia tartományában érkező mechanikai rezgésekre egy megegyező frekvenciájú feszültség jellel válaszol, melyet a motor vezérlő érzékel.

A kopogás szenzorokkal kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy körültekintést igényel a szenzor rögzítési helyének kiválasztása és a megfelelő rögzítése!

(1. Piezó kerámia, 2. Tehetetlenségi elem, 3. Feszítő rugó, 4. Csatalakozók, 5. Motor öntvény)

9.11. ábra - Kopogásos szenzor [9.7.]

Amennyiben a kopogás szenzor jel amplitúdója átlép egy határ feszültséget a ECM elkezdi csökkenteni az előgyújtási szöget ameddig nem szűnik meg a kopogás és törekszik az előre megadott elgyújtási értéket tartani. Különböző gyújtás rendszereknél más-más módszer alkalmazható. Mechanikus és parazita gyújtási rendszerekben csak az összes hengerre egyszerre lehet csökkenteni a kopogás elkerülése érdekében az előgyújtási szöget, bár a parazita gyújtás esetén elvileg adott a páronkénti beavatkozás lehetősége. A hengerenkénti gyújtótranszformátoros rendszereknél viszont szekvenciálisan tudja az ECM szabályozni az előgyújtást (9.12. ábra - Előgyújtás szabályzása kopogás szenzor segítségével [9.8.] ).

9.12. ábra - Előgyújtás szabályzása kopogás szenzor segítségével [9.8.]

Öngyulladásról akkor beszélünk, ha az égés nem a gyújtószikra hatására indul meg, hanem egy olyan helyről, amely hőmérséklete eléri a keverék gyújtási hőmérsékletét és jó hőátadás lehetséges a keverék irányába. Ilyen helyek abban az esetben jönnek létre, ha égéstér hűtése romlik, illetve az égéstérben tökéletlen égés miatt lerakódások keletkeznek (koksz, korom).

Az öngyulladás hatására az égési folyamat kezelhetősége megszűnik, az égés már a gyújtás előtt megkezdődik, ami jelentős hatásfokromláshoz vezet. Egyes esetekben a gyújtás megszüntetése után is tovább üzemel a motor.

(1. Adagoló ház, 2. Elfolyó nyílás, 3.Vezérlőél, 4.Dugattyú, 5.Visszahúzó rugó, 6. Dózis vezérlés, 7.Adagoló bütyök és tengely, 8.Görgő, 9. töltő nyilás, 10, fejszelep)

10.4. ábra - Soros rendszerű, állandó löketű adagoló szivattyú [10.6.]

A soros, állandó löketű adagoló szivattyúnál a motor minden egyes hengeréhez külön elemi dugattyús rendszer tartozik (lásd 10.4. ábra - Soros rendszerű, állandó löketű adagoló szivattyú [10.6.] ). A dugattyúk mozgatásáról egy bütykös tengely gondoskodik. Ezen a tengelyen a bütykök a befecskendezés sorrendjének megfelelően mozgatják a dugattyúkat. A dugattyúk a mozgás tengelye körül elforgathatók. A dugattyú palástján lévő hornyok és a hengerperselyen lévő furatok segítségével az elforgatással vezérelhető a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége. A dugattyúk elforgatása fogasléc segítségével történik, így biztosítható, hogy mindegyik hengerbe egyforma dózis kerüljön. A befecskendezés után a visszaszívást az un. nyomószelep gátolja meg.

10.5. ábra - Soros rendszerű, állandó löketű adagoló szivattyú töltése (a), és szállítása (b) [10.6.]

A dugattyú alsó helyzetében a tápszivattyú által szállított tüzelőanyag feltölti a hengerteret (10.5. ábra - Soros rendszerű, állandó löketű adagoló szivattyú töltése (a), és szállítása (b) [10.6.] a-b. ábrák). A dugattyú felfelé mozdulása elzárja a hengerpersely furatait, megkezdődik a szállítás. A dugattyú addig szállít, míg a palástján kialakított spirál hornyon keresztül a tüzelőanyag el tud folyni az elfolyó csatornán, ekkor megszűnik a szállítás (10.6. ábra - Soros rendszerű, állandó löketű adagoló szivattyú szállítása vége (a), és üresjárás (b) [10.6.] a. ábra). Kialakítható egy olyan horony is, amely a megfelelő dugattyú elfordulás esetén folyamatosan nyitva tartja az elfolyó furatot (pl. leállás), így ebben az esetben nincs szállítás (10.6. ábra - Soros rendszerű, állandó löketű adagoló szivattyú szállítása vége (a), és üresjárás (b) [10.6.] b. ábra).

10.6. ábra - Soros rendszerű, állandó löketű adagoló szivattyú szállítása vége (a), és üresjárás (b) [10.6.]

Nyomás tartományuk max. 650 bar, max. 25 kW/henger teljesítmény mellett, bár léteznek speciális kialakítások 800 bar és több mint 60 kW/henger teljesítmény igényre is.

(1. Adagoló ház, 2. Elfolyó nyílás, 3.Vezérlőél, 4.Dugattyú furat, 5.Dugattyú, 6. Dózis vezérlés, 7. Adagoló bütyök és tengely, 8.Görgő, 9.Lökettolóka)

10.7. ábra - Lökettolókás adagoló szivattyú elrendezése és működése [10.6.]

A soros adagoló szivattyúk általában fel vannak szerelve segéd rendszerekkel, és különböző szabályzókkal, mint például alapjárati fordulatszám, maximális fordulatszám és fordulatszám illesztés. Külön rendszernek kell gondoskodni a szállítás kezdet állításról, ennek egyik legegyszerűbb megoldása a röpsúlyos tengelykapcsoló a motor és a befecskendező között. A mai kor követelményeit kielégítő károsanyag kibocsátást megvalósító elektromos rendszerekhez illeszkedve a típusnak is vannak elektromos szabályzású változatai, ezeknél elektromágnesek segítségével változtatható mind a dózis, mind az előbefecskendezés. Ennek tipikus példája az un. lökettolókás adagoló szivattyú, itt elektromágnes gondoskodik az dózis vezérléshez szükséges fogasléc mozgatásáról és az lökettolóka mozgatásával a befecskendezés kezdet is szabályozható. A fenti rendszerek elsősorban nagyteljesítményű haszongépjárműveknél terjedtek el magas költségeik miatt.

Nagy fordulatszámú, kis teljesítményű (kis haszongépjármű, személygépkocsi) motorok igényeit már nem tudják kielégíteni a hagyományos soros adagoló szivattyúk. Főbb okai: az előbefecskendezés nehézkes állítása, elektromos szabályozás nehézkessége, magas költségek. Ebben a kategóriában megfigyelhető az elosztórendszerű adagoló szivattyúk térhódítása, nyomás tartományuk általában max. 700 bar, max. 25 kW/henger teljesítmény mellett.

Lényeges eltérés a soros rendszerrel szemben, hogy itt csak egy szivattyú elem hozza létre a befecskendezési nyomást, miközben forgó mozgást is végez. Ezzel határozza meg furatok segítségével, hogy mely hengerbe történjen a befecskendezés (lásd 10.8. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú felépítése [10.6.] ) A rendszer kompakt kivitelű, egyszerűbben alakítható ki az elektromos szabályzása, és miután egyetlen szivattyú elemet tartalmaz előállítása olcsóbb.

Az adagoló szivattyú tengelyéhez egy axiális elmozdulást engedő tengelykapcsolóval csatlakozik a dugattyú. Ennek egyik vége a kisnyomású térben lévő körhagyó-bütyköstárcsa Ezt a tárcsát rugók nyomják a görgő koszorúra. A rajta elgördülő bütykös tárcsa kényszeríti tengelyirányú (pumpáló-) mozgásra a dugattyút. A görgő koszorú elfordítható a dugattyú tengely körül, ezzel állítható az előbefecskendezés, ami jelentősen nagyobb nagy motoroknál.

A befecskendezési ütem során a bütykös tárcsa hatására a dugattyú elkezd kifelé mozogni, ezzel először elzárja a hozzáfolyó csatornát (10.9. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú feltöltése [10.6.] ), ezután az axiális és az arra merőleges furaton keresztül megkezdődik a szállítás (10.10. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú befecskendezése [10.6.] ). A szállítás addig tart, míg a szabályzó gyűrű szabaddá nem teszi az axiális furat végén lévő elengedő furatokat (10.11. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú befecskendezés vége [10.6.] ). A szabályzó gyűrű előre, illetve hátra mozgatásával szabályozható a dózis nagysága.

(1. Görgőház, 2. Görgő, 3. Bütykös tárcsa, 4. Görgőház elforgató (befecskendezés időzítő), 5. Dózis vezérlő furat (by-pass csatorna, a valós rendszerben ez csak egy furat, de a jobb érthetőség miatt minden ábrán látható!), 6. Mennyiség állító, 7.Visszatoló rugó, 8.Leállító szelep, 9.Dugattyú elem, 10. Henger választó csatorna)

10.8. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú felépítése [10.6.]

10.9. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú feltöltése [10.6.]

10.10. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú befecskendezése [10.6.]

10.11. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú befecskendezés vége [10.6.]

A rendszerek is fel vannak szerelve segéd rendszerekkel, mint tápszivattyú, valamint különböző szabályzó és vezérlő rendszerekkel, mint például alapjárati fordulatszám, maximális fordulatszám, fordulatszám illesztés, hideg indítás, feltöltési nyomásszabályozás. Ezek részletesen a következő fejezetben kerülnek bemutatásra.

10.12. ábra - BOSCH VE típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú fluxus befolyásolt (Féldifferencia híd) jeladós mennyiség állító mozgató rendszer

A radiál dugattyús elosztórendszerű adagoló szivattyú felépítése sok szempontból hasonló a a hagyományos elosztó rendszerű adagoló szivattyúhoz, azonban itt nem a dugattyú elem elmozdulása hozza létre a nagy nyomást, hanem a radiális működésű dugattyú elem. Ennek segítségével a maximális befecskendezési nyomása 1100 bar és max. 50 kW/henger teljesítmény valósítható meg. A (5) dózis vezérlő szolenoid szelep segítségével lehetőség van a szállítás kezdet és a dózis pontos vezérlésére. Az adagoló szivattyú csak akkor növeli a nyomást, ha a szolenoid szelep zárva van. Ennek segítségével már lehetőség van egyes rendszereknél a kettős befecskendezésre is (10.13. ábra - A BOSCH VP típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú [10.6.] ).

(1. Görgőház elforgató (befecskendezés időzítő), 2. Görgő, 3. Bütykös tárcsa, 4. Dugattyú elem, 5. Dózis vezérlő szelep (by-pass csatorna), 6. Elosztó tengely és henger választó csatorna, 7. Ház)

10.13. ábra - A BOSCH VP típusú elosztórendszerű adagoló szivattyú [10.6.]

A minél nagyobb nyomás elérése érdekében terjedtek el az adagoló-porlasztó rendszerek elsősorban a CR rendszerek leterjedése előtt (10.14. ábra - Adagoló-porlasztó rendszer [10.6.] ). Ezek az adagolóelem (4) és a porlasztó (6) egybeépítésével születettek, minden hengerben egy-egy ilyen elem található amely dugattyúját többnyire a vezérműtengely működteti. A befecskendezés időpontját és a dózis nagyságát az elektronikusan vezérelt mágnes szelep határozza meg. (5). Érdekessége a rendszernek, hogy a vezérlő szolenoid szelep segítségével már lehetőség nyílik a többszöri befecskendezésre.

(1. Adagoló elemház, 2.Adagoló bütyök és vezérműtengely, 3. Himba, 4. Dugattyú elem, 5. Vezérlő szelep, 6. Porlasztó egység)

10.14. ábra - Adagoló-porlasztó rendszer [10.6.]

A Common Rail (CR) rendszerek elterjedését az elektronikus szabályzások költségeinek csökkenése és az egyre tovább szigorodó környezetvédelmi követelmények okozzák. Ennél rendszernél magasabb az előállítható nyomás (2000 bar), így jobb porlasztás valósítható meg, üzemmód függvényében állítható a szelepnyitás, így a befecskendezési karakterisztika. Az előállított nyomás csak kismértékben függvénye a fordulatszámnak. A rendszer fő elemei a motor által hajtott nagynyomású szivattyú, ami a nagynyomású tüzelőanyagot egy közös gyűjtőcsőbe (Common Rail) juttatja. Innen elektromos szabályzású porlasztók juttatják az égéstérbe (10.15. ábra - Common Rail rendszer elemei [10.6.] ). A vezérlőjelének időbeli változásával befolyásolható a befecskendezési törvény. A fenti rendszer kézbentartásához a szabályzó elektronikának nagyon sok, a motor működését leíró paraméter ismeretére van szüksége. Erről a következő fejezetben lesz szó.

10.15. ábra - Common Rail rendszer elemei [10.6.]

A Common Rail rendszerek első generációjánál a rail-nyomást a nyomásszabályzó szelep segítségével állítják. A nagynyomású szivattyú a tüzelőanyagigénytől függetlenül a maximális mennyiségű gázolajat szállítja, és a nyomásszabályzó szelep pedig a fölösleges mennyiséget visszavezeti a tüzelőanyag-tartályba (10.16. ábra - Első generációs rail nyomás szabályzás)

(1- tüzelőanyag tartály és kisnyomású rendszer, 2 nagynyomású szivattyú, 3 rail cső, 4 injektorok, 5, visszatérő – kis nyomású - tüzelőanyag rendszer, 6 rail nyomás jeladó, A: rail nyomás szabályzó)

10.16. ábra - Első generációs rail nyomás szabályzás

A második generáció a rail nyomást az alacsony nyomású oldalon az adagoló szelep segítségével szabályoz így a nagynyomású szivattyúnak csak annyi gázolajat kell szállítania, amennyire a motornak ténylegesen szüksége van. A túl magas rail nyomás biztosításáról a nyomás korlátozó szelep gondoskodik (10.17. ábra - Második generációs rail nyomás szabályzás).

(1- tüzelőanyag tartály és kisnyomású rendszer, 2 nagynyomású szivattyú, 3 rail cső, 4 injektorok, 5, visszatérő –kis nyomású- tüzelőanyag rendszer, 6 rail nyomás jeladó, A: mennyiség szabályzó, B: rail nyomás határoló)

10.17. ábra - Második generációs rail nyomás szabályzás

A második generációs rendszereknél a nyomást csak az alacsony nyomású oldalon lehet szabályozni, A terhelés csökkenése esetén túl hosszú időt vesz igénybe a nyomás lecsökkentése a rail-ben, túl nagy a nagynyomású rendszer tehetetlensége. Ezért a harmadik generációs Common Rail rendszernél az alacsony nyomású oldalon lévő adagoló szelep mellett egy nyomásszabályzó szeleppel egészül ki a rendszer. További előny, hogy hideg üzemmódban teljesen át lehet állni a nagynyomású szabályzásra, így elősegítve a rendszer bemelegedését (10.18. ábra - Harmadik generációs rail nyomás szabályzás).

(1- tüzelőanyag tartály és kisnyomású rendszer, 2 nagynyomású szivattyú, 3 rail cső, 4 injektorok, 5, visszatérő –kis nyomású- tüzelőanyag rendszer, 6 rail nyomás jeladó, A rail nyomás szabályzó határoló B mennyiség szabályzó)

10.18. ábra - Harmadik generációs rail nyomás szabályzás

Szabályzócsapos befecskendezők esetében a tű nyitása után a befecskendező furat nem válik teljesen nyitottá, a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége nem csak az égéstér és a befecskendezési nyomás különbségével lesz arányos, hanem befolyásolja a szabályzócsap profilja is. Ezzel el lehet érni, hogy a befecskendezés elején kevesebb tüzelőanyag jusson az égéstérbe, így szabályozva a kinetikus-diffúz égés arányát (10.19. ábra - Szabályozócsapos porlasztó [10.2.] ).

A lyukporlasztókban a porlasztó tű elválasztja a motor égésterét a tüzelőanyag rendszertől. A porlasztást a porlasztótest furatai végzik, számuk konstrukció függő. Mind a két konstrukciós megoldásnál igen fontos a rugó előfeszítésének pontos beállítása, mind a helyes befecskendezés kezdet és az esetleges lengések elkerülése miatt (10.20. ábra - Lyukporlasztó [10.2.] ).

A Common-Rail rendszerekben is zárt porlasztókat alkalmaznak, két a fő típus az mágnes szelepes (10.21. ábra - Az elektromágneses befecskendező felépítése [10.6.] ), illetve a piezo aktuátoros (10.23. ábra - A piezo aktuátoros porlasztóknál szervo-szelep [10.6.] ) porlasztók. Mindkét rendszer esetén a szervo-szelep segítségével kezdődik, illetve ér véget a befecskendezés, azonban mágnes szelep, illetve piezo aktuátor mozgatja azt.

(1. elektromágnes tekercs, 2. tüzelőanyag visszafolyás, 3. szervo-szelep, 4. kilépő fojtás, 5. vezérlő kamra, 6. rugó, 7. befecskendező tű, 8. nagynyomású tüzelőanyag, 9. belépő fojtás)

10.21. ábra - Az elektromágneses befecskendező felépítése [10.6.]

Az elektromágneses befecskendezők esetén zárt helyzetben a vezérlőkamra rail-nyomáson van, mivel az elektromágnes aktuátor által mozgatott szervo-szelep lezárja annak eleresztő csatornáját. A befecskendezés kezdetén az aktuátor kinyitja a vezérlőkamra eleresztő csatornáját, a vezérlőkamra nyomása csökken és a felboruló erő egyensúly miatt a fúvókatű kinyit és elkezdődik a befecskendezés (10.22. ábra - Az elektromágneses befecskendező nyitása és zárása [10.6.] bal ábra). Ez addig tart amíg az aktuátor ismét le nem zárja az eleresztő csatornát, ekkor el kezd nőni a nyomás vezérlőkamrában és zár a befecskendező szelep (10.22. ábra - Az elektromágneses befecskendező nyitása és zárása [10.6.] jobb ábra).

10.22. ábra - Az elektromágneses befecskendező nyitása és zárása [10.6.]