Erdészeti gépek korszerű erőforrásai

2. ábra: Korszerű feltöltéses, iTier 4 besorolású dízelmotor (www.deere.com )

A 2015-ös innoLignum Sopron erdészeti és faipari vásár és rendezvénysorozat alkalmával Erdészeti gépesítés-fejlesztés témakörben rendeztek konferenciát, amelyen “Erdészeti gépek korszerű erőforrásai” címmel tartott előadást Czupy Imre, a Nyugat-Magyarországi Egyetem Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézetétől. Előadásának anyagát most engedéllyel az Erdő-Mező Online is közzé teszi.

Az innoLignum Sopron kiállításon megrendezett konferencia többi előadása is olvasható az Erdő-Mező Online portálon!
A cikk alján ajánlót és tartalomjegyzéket is talál!

Erdészeti gépek korszerű erőforrásai

Czupy Imre
Nyugat-magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézet
E-mail: czupy.imre@emk.nyme.hu

Kulcsszavak: erőgépek, dízelmotorok, teljesítménynövelés, károsanyag-kibocsátás

Bevezetés
Az erdészeti erőgépek – traktorok, magajáró célgépek – teljesítményigénye fokozatosan nő. Ezzel párhuzamosan elvárás velük szemben a költséghatékonyság, a fokozott komfortérzet, de ugyanakkor a kis tömeg (mérsékelt talajtömörödés) és a környezetterhelés csökkentése is (iTier 4, Euro 6 előírások). Ahhoz, hogy a gépek ezeknek a követelményeknek megfelelhessenek modern, csúcsteljesítményű motorok beépítése szükséges. Az erdőgazdaságban használt gépek erőforrása – kevés kivételtől eltekintve – dízelmotor. Az alábbiakban a teljesítmény fokozására és a környezetszennyezés csökkentésére alkalmas korszerű műszaki megoldásokat mutatjuk be.

Csúcsteljesítményű dízelmotorok
Az erdőgazdaságban használatos erőgépek dízelmotorjai az elmúlt évtizedekben jelentős változáson mentek keresztül. A korszerű motorok általában 6 hengeres soros, vagy 8 hengeres V elrendezésben készülnek. Névleges fordulatszámuk jellemzően 2.000 1/min közeli, és széles fordulatszám tartományban nagy forgatónyomatékot képesek leadni (1. ábra).

1. ábra: V elrendezésű 8 hengeres motor és jellemzői (Hajdú, 2015)

1. ábra: V elrendezésű 8 hengeres motor és jellemzői (Hajdú, 2015)

A dízelmotorok teljesítménynövelését a hengerszám növelésével és/vagy a fordulatszám emelésével lehet legegyszerűbben megvalósítani. Mindez azonban méret- és tömegnövekedést eredményezne. A kisebb fogyasztás és a költséghatékony üzemeltetés eléréséhez napjainkban már nincs szükség nagyméretű erőforrásokra, a fejlesztések a kisebb méretű motorok irányába haladnak. Ugyanakkora teljesítmény csökkentett hengerűrtartalomból nyerhető. Nem csupán a hengertérfogat csökken azonban, hanem a hengerek száma is. Mintegy 20 évvel ezelőtt egy 74 kW/100 LE teljesítményű traktor még 6 hengeres motorral volt felszerelve, ma már vannak olyan modellek, amelyek ugyanezt a teljesítményt egy háromhengeres erőforrásból nyerik ki. A fejlesztések terén az első nagy előrelépés az elektronikus vezérlés elterjedéséhez köthető. Az EDC (Electronic Diesel Control) elektronikus szabályozóval rendelkező dízelmotorok az 1990-es években jelentek meg az Egyesült Államokban (Varga, 2013b). Egy dízelmotor korszerűsége napjainkban az alkalmazhatósággal, valamint a szerkezetek és a szerelvények kialakításával jellemezhető (2. ábra).

2. ábra: Korszerű feltöltéses, iTier 4 besorolású dízelmotor (www.deere.com )

2. ábra: Korszerű feltöltéses, iTier 4 besorolású dízelmotor (www.deere.com )

A dízelmotorok teljesítménye a hengerben uralkodó középnyomás növelésével fokozható, melyhez leggyakrabban a 3. ábrán bemutatott szerkezeti kialakítású turbófeltöltőket alkalmazzák. Működésük lényege, hogy a dugattyús belsőégésű motorból távozó kipufogógáz egyébként veszendőbe menő energiájának egy része úgy hasznosul, hogy forgásba hoz egy turbinakereket, amely közös tengelyen csapágyazott a sűrítő (kompresszor) járókerekével, ezáltal a sűrítő a szívócsőbe a légköri nyomásnál nagyobb nyomással szállítja a levegőt. A feltöltő nagyobb nyomásviszonyánál a sűrítés hőmérsékletemelkedéssel is jár. A felmelegedett levegő sűrűsége csökken, ami rontja a töltési fokot, valamint a motor hőterhelése is jelentősen megnövekszik. Ezért egyes konstrukcióknál a töltő levegőt visszahűtik (intercooler rendszerek). A feltöltés szabályozására a turbina előtt kipufogógáz megkerülő szelepet (Wastegate) helyeznek el. Ez a szelep a sűrítő töltőnyomásának mérséklését a turbina hajtás visszafogásával, a felesleges kipufogógáz-mennyiség turbó előtti elvezetésével oldja meg. A wastegate nyitását rugóerő ellenében a levegő töltőnyomása, vagy teljesen elektromosan vezérelt léptetőmotoros rendszer végzi.

3. ábra: Turbófeltöltő 1. levegősűrítő; 2. kipufogógáz hajtású turbina; 3. wastegate szelep; 4. pneumatikus szelepmozgató szerkezet (Varga, 2013)

3. ábra: Turbófeltöltő 1. levegősűrítő; 2. kipufogógáz hajtású turbina; 3. wastegate szelep; 4. pneumatikus szelepmozgató szerkezet (Varga, 2013)

A levegőoldali szabályozás a turbótöltő turbina beáramlási keresztmetszetének változtatásával, az VTG (Variable Turbine Geometry) rendszerrel is megvalósítható. A korszerű feltöltéses dízelmotorok esetén a töltő jelleggörbéjének módosításával elérhető a nyomaték rugalmasságának növelése, az állandó teljesítményű motorfordulatszám-tartomány megvalósítása.
A nagyteljesítményű dízelmotorok tüzelőanyag ellátó rendszerét forradalmian átalakította az elektronikusan vezérelt (EDC) befecskendező rendszerek térhódítása. Az optimális üzemállapot eléréséhez az alábbi tényezők összehangolása szükséges a teljes üzemeltetési tartományban:
• a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége,
• az előbefecskendezési szög illetve a befecskendezés kezdete,
• a levegő töltőnyomás (turbó feltöltéses motoroknál),
• a visszavezetett kipufogógáz mennyisége (turbó feltöltéses motoroknál).
Széles körben elterjedt a közös tüzelőanyag csatornás rendszerek (Common Rail System) alkalmazása, illetve a befecskendező szivattyú és a porlasztó egybeépítése. A CRS felépítését a 4. ábra szemlélteti.

4. ábra: Common Rail befecskendező rendszer főegységei (www.bosch.hu)

4. ábra: Common Rail befecskendező rendszer főegységei (www.bosch.hu)

A Common Rail rendszer nagy előnye, hogy a jellemzően magas (~ 180 MPa) befecskendezési nyomás független a motor fordulatszámától és a befecskendezett tüzelőanyag mennyiségétől, értékét a motor aktuális üzemállapotának függvényében az EDC szabályozza.
A befecskendező porlasztók vezérlésének egyik legmodernebb módja a piezoelektromosság elvén alapul (5. ábra). A befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét a nyomás és a befecskendező szelep nyitvatartási ideje együttesen határozza meg. A befecskendezés kezdeti értéke széles tartományban változtatható. A befecskendezés időbeli lefolyása, az adagmennyiségek és a befecskendezés időtartamának pontos kialakítása lehetséges, sőt többszöri befecskendezés is lehetővé válik, ahogy azt az 5. ábrán láthatjuk.

5. ábra: A piezo-elven működő porlasztó kialakítása  és a gázolaj mennyiségének befecskendezése (www.bosch.hu)

5. ábra: A piezo-elven működő porlasztó kialakítása  és a gázolaj mennyiségének befecskendezése (www.bosch.hu)

A tüzelőanyag több részletben történő befecskendezése révén kedvezően befolyásolható az égés lefolyása, a motor működésének hatásfoka és a kipufogógáz káros anyag összetétele is.
A dízelmotorok légszennyező hatásának csökkentése érdekében a kipufogógázt – mielőtt az a szabadba kerülne – utókezelésnek vetik alá. Az egyes gyártók az alábbi eljárások valamelyikét alkalmazzák:
• kipufogógázok visszavezetése (EGR),
• dízeloxidációs katalizátor (DOC),
• szelektív katalitikus reakción alapuló katalizátor technika (SCR; NOx gázok semlegesítésére),
• dízel részecskeszűrés (DPF), illetve
• ezek kombinációja.
A hatályos környezetvédelmi előírások teljesítése érdekében a DPF megoldást és az SCR technológiát egymásra épülve célszerű használni, melynek elvi működését a 6. ábra mutatja.

6. ábra: A DOC és SCR rendszer együttes működése (www.bosch.hu)

6. ábra: A DOC és SCR rendszer együttes működése (www.bosch.hu)

Az SCR rendszerrel felszerelt motorok egy AdBlue nevű készítményt használnak, amely a karbamid vizes oldata. Az adalék egy külön tartályban helyezkedik el, innen fecskendezi be a rendszer a kipufogógázba. Az AdBlue kémiai reakciót indít el az SCR katalizátorban, melynek eredményeképpen a káros nitrogén-oxidok ártalmatlan nitrogénné és vízpárává alakulnak át. Az SCR rendszer jellemzői miatt az optimalizált égés kb. 15%-kal kevesebb hőt termel. Ezáltal a rendszer kevesebb energiát használ a ventilátor hajtására, így az eredmény nem csak a kisebb hőmennyiség formájában jelentkezik, hanem csökken a motor fogyasztása is.
Összefoglalás
Az erdészeti gépek erőforrásául szolgáló nagy teljesítményű, korszerű dízelmotorok szinte valamennyi alkatrésze jelentős változáson ment keresztül az elmúlt időszakban. A fejlődést a felhasznált új szerkezeti anyagok és a tudományos kutatások eredményein alapuló újszerű műszaki megoldások alkalmazása eredményezte. A fejlesztések iránya a teljesítmény fokozása, a tüzelőanyag fogyasztás csökkentése, a kompakt kivitel és a lehető legkisebb mértékű károsanyag-kibocsátás elérése irányába mutat.

Irodalom
HAJDÚ J. (2015) Csúcsteljesítményű dízelmotorok a mezőgazdasági gépekben. Mezőgazdasági Technika 56:(3) pp. 26-28.
VARGA V. (2013a) Legújabb motorfejlesztési irányok. Mezőgazdasági Technika 54:(5) pp. 27-30.
VARGA V. (2013b) Legújabb motorfejlesztési irányok. Mezőgazdasági Technika 54:(4) pp. 21-24.
WWW.DEERE.COM
WWW.BOSCH.HU

A következő napokban az alábbi előadás-anyagokat is olvashatja portálunkon:
Erdészeti gépek korszerű erőforrásai ————
Energetikai faültetvények gépesítési gyakorlata >>>
Erdészeti kihordókeret fejlesztése >>>
Új lehetőségek az erdészeti gépesítés-fejlesztésben >>>
Többműveletes fakitermelő gépek és a térinformatika kapcsolata – Várható közzététel: 2015. szeptember 15.

Rövid tudósítás a konferenciáról >>>

A konferenciakiadvány ingyenesen elérhető a Nyugat-magyarországi Egyetem Erdőmérnöki Karának Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézetében.

(Erdő-Mező Online – www.erdo-mezo.hu)

erdomezolike

Hozzászólások

hozzászólás

Vélemény, hozzászólás?