Slovenska tehnična modrost: pametna svečka

Tehnika, Tehnika

Nova generacija dizelskih motorjev: Z inovacijo iz Hidrie do manjše porabe goriva in čistejšega izpuha?


Na inštitutu za avtomobilsko industrijo v Hidrii je kar 30 strokovnjakov razvijalo pametno grelno svečko z natančnim tipalom tlaka optymus PSG. Kaj 25 milijonov evrov vredna inovacija, podprta s 15 patenti, pomeni za prihodnost dizelskih motorjev?

Poslovna enota DieselTec koncerna Hidria v Tolminu, znotraj katere deluje tudi razvojni inštitut za avtomobilsko industrijo, je inkubator znanja. Kot razvojni dobavitelj so v avtomobilski industriji že 40 let, znani pa so predvsem po razvoju in izdelavi sistemov za hladni zagon dizelskih motorjev in zmogljivih tipal za nadzor delovanja motorjev. Danes v tej tehnološko napredni tovarni v Tolminu dela približno sto visoko usposobljenih strokovnjakov s tehničnega področja. Gre predvsem za inženirje strojništva, mehatronike, elektrotehnike in fizike. V zglednem sodelovanju z ljubljansko Fakulteto za strojništvo so že leta 2010 začeli razvijati pomebno inovacijo, ki bo vplivala na prihodnost dizelskih motorjev.

Poslovna enota DieselTec koncerna Hidria v Tolminu

Slovenska tehnična modrost

Po mnenju stroke gre pri pametni svečke s tipalom za nadzor tlaka za eno največjih in najpomembnejših inovacij slovenske industrije, ki močno odmeva tudi na evropski in globalni ravni. Da gre za res pomembno tehnično modrost, priča tudi dejstvo, da je po aferi z izpusti največji evropski izdelovalec vozil Volkswagen nemudoma potrdil projekt, pri katerem je tudi tri leta sodeloval v razvoju. Direktor enote Hidria Dieseltec mag. Rudi Kragelj pove, da je afera pospešila razvoj, bi pa projekt zaradi okoljskih standardov razvili ne glede na afero:

“Ta svečka bi bila zanimiva tudi brez afere, saj smo se s koncernom VW pogovarjali že pred njenim izbruhom. Svečka zmanjšuje izpuste dušikovih oksidov in po aferi projekt sploh več ni bil vprašanje. Postalo je jasno, da bodo v vse svoje avtomobile z dizelskim motorjev vgradili svečko s tipalom tlaka. Sicer pa Volkswagen te tehnologije razvija že od leta 2002.”

Direktor enote Hidria Dieseltec mag. Rudi Kragelj in vodja razvoja mag. Peter Uršič (na levi).

15 centimetrska svečka z laboratorijsko natančnim tipalom tlaka

Pametna svečka seveda ni tehnični čudež. “Veliko čudežev je bilo v zgodovini industrije že obljubljenih, a malo se jih je zgodilo,” pove oče te inovacije mag. Peter Uršič. Pravi tudi, da je bil glavni izziv pri razvoj, kako doseči, da je na zelo majhnem prostoru tipalo dovolj natančno - in to s komponentami, pri katerih posamezni del ne sme stati več kot evro. Kot primer navede do mikrona natančno obdelane stružene sestavne dele, ki morajo zdržati celotno dobo delovanja motorja.
In zakaj je ta inovacija tako posebna? Uršič navede dva ključna razloga: “Zaradi tipala, ki se nahaja blizu izgorevalnega prostora in ima zelo dobre frekvenčne lastnosti, kar pomeni, da lahko meri tlačne signale zelo visokih frekvenc, do 8 kHz. Druga stvar pa je napredna elektronika, ki potem ta signal ustrezno obdela, da napetostni izhodni signal dejansko ustreza tlačnemu poteku med zgorevanjem goriva v motorju. Ta naš koncept, ki vsebuje relativno poceni tipalo in elektroniko, se glede na kakovost meritve lahko kosa z več 100-krat dražjimi laboratorijskimi tipali, ki se denimo uporabljajo za umeritev motorjev z notranjim izgorevanjem. Ta svečka lahko meri tlak do 300 barov z natančnostjo enega odstotka odčitane vrednosti. V spodnjem tlačnem območju pod 10 barov lahko merimo z natančnostjo do 0,25 bara. Tako natančnost zagotavljamo pri vseh spremenljivih temperaturah in režimih delovanja, ki se pri delovanju dizelskega motorja neprestano spreminjajo. Motor z notranjim zgorevanjem niti sekundo oziroma dve zaporedni sekundi ne deluje enako, saj se stalno nekaj spreminja, prilagaja … To spremenljivost delovanja motorja je najenostavneje spremljati, če ima voznik na voljo potovalni računalnik, ki prikazuje trenutno porabo goriva.”

Sestavni deli pametne svečke z tipalom za nadzor tlaka

100.000 krat na sekundo

Ta svečka torej vseskozi natančno spremlja tlačni signal v valjih, motorni računalnik pa nato izračuna ustrezne parametre delovanja. To se dogaja tako rekoč iz rok v usta, poudarja Uršič. Podatki so namreč obdelani v nekaj milisekundah in na podlagi izračunov se nato že krmili naslednji zgorevalni cikel, da bi bilo zgorevanje kar najbolj optimalno. Napredno tipalo kar 100.000-krat v sekundi izmeri tlak. Na osnovi te natančne informacije o tlaku se lahko ustrezno prilagajajo časi vbrizga goriva, količina vbrizganega goriva in drugi parametri. Zato so plini, ki pridejo neposredno iz valjev, že pred vstopom v katalizator bolj čisti.

"Svečka in pametno krmiljenje omogočata optimalno zgorevanje, še vedno dober izkoristek energije iz goriva in hkrati nižje izpuste,” konkretne prednosti inovacije predstavi Peter Uršič v tehnološko izredno dovršeni proizvodnji liniji.

V Hidriji poudarjajo, da je svečka del naprednih tehnologiji, ki bodo omogočile, da se bodo poraba goriva in izpusti znižali do 30 odstotkov, torej z roko v roki z vsemi ostalimi rešitvami. Ta svečka bo pomagala znižati primarne izpuste na izvoru v valjih, pred katalizatorjem, kar pomeni, da je zato izpušni sistem lahko ustrezno manjši in cenejši.

“Izgorevanje v motorju je lahko zelo umazano, a je še vedno je mogoče za njim počistiti izpuste. Je pa to zelo drago in zahtevno. S to svečko pa že na izvoru nastaja manj izpustov, kar poceni čiščenje in sistem za naknadno obdelavo izpušnih sistemov. To konkretno pomeni eno zelo drago tipalo manj pri nadzoru čiščenja strupenih dušikovih oksidov, pa zato tudi manjšo porabo tekočine adblue. Svečka in pametno krmiljenje omogočata optimalno zgorevanje, še vedno dober izkoristek energije iz goriva in hkrati nižje izpuste,” konkretne prednosti inovacije predstavi Peter Uršič.

Linija za sestavljanje svečke v Tolminu je izredno napredna, skorajda povsem avtomatizirana. Izstopa 30 metrov dolg segment za sestavo elektronskega dela svečke. Linija je zgrajena je po načelu industrije 4.0 in z laserskim varjenjem in z inovativno uporabo sistema industrijskega vida zagotavlja popolno sledljivost proizvodnje.

V štirivaljniku le ena pametna svečka

Izjemna natančnost in velike količine zajetih podatkov so izziv za motorni računalnik. Strojna oprema v 2-litrskem TDI motorju koncerna VW, ki na ceste opremljen s slovensko rešitvijo prihaja septembra, ni nova. So pa morali spremeniti programsko opremo, da je procesor sposoben obdelati podatke s pametne svečke. V motor je vgrajena samo ena, da ne vzame preveč procesorskih zmogljivosti motornega računalnika. Če bi v vsak valj vgradili to svečko, bi zasedli kar 7 odstotkov zmogljivosti avtomobilskih možganov samo za nadzor tlaka v valjih.

Foto: V Tolminu so z lastnim znanjem zasnovali in postavili celotno linijo za sestavo svečke Optymus PSG

Dizelskih motorjev bo manj, a na cestah bodo ostali …

Z direktorjem enote Hidria Dieseltec mag. Rudijem Kraglejm smo se dotaknili tudi prihodnosti oziroma izzivov nove generacije pogonov, predvsem dizelskih motorjev. Vprašali smo ga kje dejansko so meje in do kam bo segel vpliv afere ter novih okoljskih predpisov:
“Gotovo je dizelski motor že zelo učinkovit z vidika porabe goriva in izpustov ogljikovega dioksida. Afera je zagotovo sprožila nek plaz in danes je podoba dizla tako kot je. Ne gre pa si zatiskati oči in reči dizel je dober, ima to slabost, da ima več izpustov dušikovih oksidov (NOx). Realnost je da delež dizelskih motorjev upada. V EU je po zadnjih podatkih bilo “le” okoli 40 odstotkov registriranih novih avtomobilov z dizelskim motorjem, še pred štirimi leti pa je bil delež vseh novo registriranih dizlov preko 54 odstotkov. V naših poslovnih napovedih upoštevamo padec dizla tudi tja na 25 odstotkov. Del dizelskih motorjev bo zagotovo ostal pri večjih avtomobilih in lahkih dostavnikih, ko govorimo o 2-litrskih motorjih, saj bodo sicer tudi izdelovalci težko dosegli povprečno mejo pod 100 g CO2 na celotno ponudbo modelov. Po realnejših meritvah porabe in izpustov, ki stopajo v veljavo in pri meritvah v realnem prometu, pa bo precej v prid dizlu.”

O tem dejstvu smo že pisali tudi v Motoreviji. V Hidriji kot specialisti za gretje, senzoriko in meritve že razvijajo naprej za področje avtomobilske in druge industrije. V novih pogonih vidijo priložnosti. “Priložnosti vidimo tudi pri razvoju bencinskih motorjev, kjer tako kot pri dizlih zrasla potreba po večjem nadzoru samega izgorevanja in tudi pri postopkih obdelave izpušnih plinov v izpušnem sistemu. Hidria specialist tudi za pakete električnih motorjev, kjer govorimo o novi generaciji elektro-pločevine oziroma spajanja teh lamel, ki zagotavljajo boljši izkoristek električnih motorjev v hibridnih pogonih. Sodelujejo z vsemi večjimi izdelovalci hibridnih pogonov,” pojasnjuje direktor enote v Tolminu.

“Priložnosti vidimo tudi pri razvoju bencinskih motorjev, kjer tako kot pri dizlih zrasla potreba po večjem nadzoru samega izgorevanja in tudi pri postopkih obdelave izpušnih plinov v izpušnem sistemu," pove direktor enote Hidria Dieseltec mag. Rudi Kragelj.

Tlaki se zvišujejo

Tlak sodi med najpomembnejše fizikalne parametre dizelskega motorja, saj vpliva na številne parametre od zmogljivosti, do izkoristka in porabe ter izpustov. Pri avtomobilih se je tlak distribucije oziroma vbrizga goriva precej zvišal in v skupnem vod že dosega od 2000 do 2500 barov. Temu zvišanju pa morajo slediti tudi zahtevnejši sistemi filtracije goriva. Pri tovornjakih in delavnih strojih pa naj bi tlak vbrizga v prihodnje dosegal celo od 3500 do 4000 barov. V tem segmentu se povečuje tudi tlak v samem valju. Običajen avtomobilski dizelski motor tekom zgorevanja v valju nikoli ne preseže tlaka 200 barov. Večji dizelski motorji, pa v valjih z lahkoto dosežejo 300 barov, trendi napovedujejo celo do 400 barov tlaka v večjih motorjih tovornjakov in drugih strojev, kjer je prostornina posameznega valja lahko tudi 5 ali 10 litrov. Večji tlak povečuje izkoristek. Po drugi strani pa dvig tlaka v skupnem vodu pomeni tudi večjo obremenitev za motor, saj zagotavljanje visokega tlaka pomeni porabo moči. Poleg tega pa ima taka črpalka več izgub, ki jih seveda lažje prenese velik motor.

Tlak sodi med najpomembnejše fizikalne parametre dizelskega motorja, saj vpliva na številne parametre od zmogljivosti, do izkoristka in porabe ter izpustov.

Premiera pod motornim pokrovom Audija

Slovenska pametna svečka - za hladen zagon dizelskega motorja s senzorjem tlaka Optymus PSG z zaprtozančnim sistemom izgorevanja - je na ceste zapeljala nedavno, v novem dvolitrskem mehkohibridnem dizelskem štirivaljniku, vgrajen v novih generacijah modela audi A6 in audi A7. Gre za precej čistejši in varčnejši motor, ki mu do boljše učinkovitosti pomaga tudi vrhunska slovenska tehnologija iz Hidrie. Ta sodobnim dizelskim vozilom v sodelovanju z ostalimi tehnološkimi rešitvami omogoča precej manjšo porabo goriva ter izpuste okolju in zdravju škodljivih plinov. Novi Audijev dizelski agregat je podprt tudi z naprednim 48V hibridnim sistemom, s tako imenovano starter-generator tehnologijo. Njeni ključni deli - stator, rotor in ohišje elektromotorja - so ravno tako razviti in izdelani v Hidrii. Ta mehkohibridna tehnologija avtu omogoča dodatno moč pri pospeševanju, pri zaviranju ali vožnji navzdol pa z rekuperacijo proizvaja električno energijo in polni baterije, potrebne za zagon motorja z notranjim izgorevanjem in pogonsko električno asistenco. Audi mehki hibridni sistem poleg dizelskih vgrajuje tudi v svoje bencinske motorje.

Novi Audijev dizelski agregat je podprt tudi z naprednim 48V hibridnim sistemom, s tako imenovano starter-generator tehnologijo.

 

Jure Gregorčič

Jure Gregorčič

Novinar - urednik Motorevije

Nazaj