A belsőégésű dugattyús motorok a periodikusan működő gépek csoportjába tartoznak. Ezeknek folyamatos munkavégzése úgy jön létre, hogy a munkaközeg meghatározott mennyiségben és időben beáramlik, majd a munkavégzés után eltávozik a motorból. Ezt az ütemesen ismétlődő folyamatot nevezzük töltetcserének, amely a hengerek töltését és ürítését jelenti. Ennek úgy kell végbemennie, hogy a kipufogó gáz lehetőleg maradék nélkül eltávozzék a hengerből, és az friss töltettel teljesen kitöltődjék.
A motorok kialakítását alapvetően befolyásoló tényezők a munkafolyamat és a konstrukció. Működési elv szerint megkülönböztetünk négyütemű (szívás, kompresszió, expanzió, kipufogás) és kétütemű motorokat. Négyütemű motornál a teljes munkafolyamathoz négy löket szükséges, míg a kétütemű motornál két löketre van szükség. Abban azonban megegyeznek, hogy magát a töltetcsere-folyamatot, a töltési és ürítési folyamat kezdetét és végét vezérelni kell. Ez a töltetcsere folyamat vezérlése, amely a vezérlőmechanizmus által valósul meg.
A négyütemű motor működési elve
A négyütemű motorokban a dugattyú négy különálló mozgást végez, amelyek együttesen alkotják a teljes munkafolyamatot. A löket a dugattyú mozgása a löket egyik holtpontjától a másikig. Ugyanakkor a forgattyús tengely (főtengely) minden egyes lökéssel fél fordulatot tesz meg. A szelepek nyitását és zárását a vezérlőbütykökkel ellátott tengelyek vezérlik. A leggyakrabban alkalmazott megoldás - elsősorban négyütemű motoroknál - az, amikor az átáramlási keresztmetszeteket kúpos ülésű szelepek teszik szabaddá.
A négy fő ütem a következő:
- Szívás: A dugattyú lefelé mozog a hengerben, miközben a szívószelep nyitva van. Ezáltal friss levegő-üzemanyag keverék vagy levegő áramlik a hengerbe. A friss töltet a dugattyú szívó hatása vagy a töltőlevegő nyomásának hatására jut a hengerbe.
- Sűrítés: A szívószelep bezárul, és a dugattyú felfelé mozog, összenyomva a hengerben lévő keveréket. Ezáltal megnő a keverék hőmérséklete és nyomása.
- Gyújtás (robbanás/munkaütem): Amikor a dugattyú a legfelső ponton van, a gyújtógyertya szikrát ad, ami begyújtja az összenyomott keveréket. A robbanás ereje lefelé löki a dugattyút, ami a motor főtengelyét forgatja. Ez a mozgás adja a motor hasznos erejét. Az égési folyamat lezajlása után az égéstermék ugyancsak szeleppel vezérelt kipufogócsatornán át távozik.
- Kipufogás: A dugattyú ismét felfelé mozog, miközben a kipufogószelep nyitva van. Ezáltal az égésgázok eltávoznak a hengerből.
A 4 ütemű motorok a szívás, sűrítés, munkaütem és kipufogás ciklusain keresztül alakítják át az üzemanyag energiáját mechanikai munkává. Ezek a motorok hatékonyak, megbízhatóak és környezetbarátabbak, mint a 2 üteműek.
Szelepvezérlési ábra
A szelepvezérlés időzítése és a vezérlési diagram
A szelepek nyitása és zárása nem az ütemek kezdetén és végén, hanem a holtpontok előtt, illetve után történik. Az eltérések okai a gázdinamikai hatások. A vezérlési kördiagram a forgattyú elfordulásának függvényében, valamint a kiterített szelepnyitási (átömlési keresztmetszet) diagram segít megérteni ezeket a folyamatokat. A meggondolásokat a kipufogószelep nyitásával (K. ny.) kezdjük.
Mivel a kipufogószelep nyitásának első fázisában - a kritikus nyomásviszony felett - az átáramló gázmennyiség független a hengerben uralkodó nyomástól és csak a szabaddá tett keresztmetszettől függ, a szelepet meglehetősen korán kellene nyitni. Ez azonban a kipufogószelep hőterhelését igen megnövelné, különösen, ha a nyitás lassú. A kipufogószelep zárása (K. z.) és a szívószelep nyitása (Sz. ny.) is kritikus időzítést igényel.
Azt az időt, amíg a szívó- és kipufogószelep is nyitva van, szelepösszenyitásnak (átfedés) nevezzük. Azoknál a motoroknál, amelyeknek üzemi fordulatszám-tartománya szűk, továbbá csak levegőt szívnak be (dízel- vagy benzinbefecskendezéses motor), a szelepösszenyitás akkora lehet, hogy a kipufogó gázok eltávolítása az égéstérből maradéktalanul megtörténjen. Széles fordulatszámmezőben üzemelő motorokban az összenyitás nem lehet nagy, mert kis fordulatszámon a kipufogó gázok a szívócsőbe nyomulnak, és a szívás során a friss töltettel keveredve azt hígítják.
A felső holtpont után a beömlő keresztmetszetnek nagynak kell lennie azért, hogy a viszonylag kis nyomáskülönbség hatására is jó legyen a henger töltése. Amikor a dugattyú a geometriai szívási ütem végén az alsó holtpontot eléri, a szívószelep még nyitva van, hiszen az áramló gázok kinetikai energiájuk révén tovább töltik a hengert. A szívószelepet csak akkor kell bezárni, amikor a felfelé haladó dugattyú a gázokat már vissza akarja tolni a szívócsőbe. A különböző motoroknál szokásos vezérlési szögeket az 1. táblázat mutatja be, amelyek széles fordulatszám- és terhelésintervallumban dolgoznak, de csak egy meghatározott fordulatszámon adnak optimális körülményeket.
Vezérműtengelyek és bütyökprofilok
A vezérműtengelyen kialakított bütykök teszik lehetővé a dugattyú (forgattyústengely) helyzetéhez viszonyított pontos szelepműködtetést. A bütyköstengely így funkcióját tekintve vezértengely (vezérműtengely). Adott vezérlési szögeknél elsősorban a legnagyobb szelepemelkedési magasságtól (hmax) függ a bütyök alapkörsugarának, illetve a vezérműtengely átmérőjének a nagysága. Túl hegyes vagy lapos bütyökformát nem lehet alkalmazni.
A bütyök egyik legfontosabb feladata, hogy a működtető mechanizmus révén - a nyitvatartási időn belül - megfelelő sebességgel nyissa, illetve zárja a szelepet. A henger töltése szempontjából lehetőleg minél nagyobb átömlési keresztmetszeteket kell szabaddá tenni.
Bütyöktípusok és kialakításuk
- A tangenciális bütyköt nagyobb vezérlési szögek esetén - például turbófeltöltéses dízelmotornál - alkalmazzák. A bütyökcsúcs körívét az alapkörrel egyenes oldal köti össze, ezért csak görgős emelővel alkalmazható.
- A körívekből álló, úgynevezett harmonikus bütyök-profil sík emelőtalp alkalmazásával harmonikus görbékből álló foronomiai görbék egyenleteket eredményez. Ez általánosan alkalmazott forma.
- A homorú oldalú körívbütyök lassú fordulatszámú, nagy vezérlési szögű, nagy vezérlési időkeresztmetszetet biztosító bütyök. Csak görgős emelővel használható.
Minden - geometriai méreteivel adott - bütyökprofil esetében a vele érintkező (általa mozgatott) emelőtalp alakjának ismeretében az emelés, az emelési sebesség és gyorsulás egyenletei a bütyök elfordulási szögének függvényében meghatározhatók. A nyitógyorsulás nem lehet túl nagy, mert a vezérműrészeket nagyon igénybe veszi.
Az eddig tárgyalt bütyöktípusok közös sajátossága és egyben hátránya, hogy a nyitás pillanatában a gyorsulás rendkívül rövid idő alatt éri el a legnagyobb értékét. Emellett az inflexió helyén is végtelen rövid idő alatt vált előjelet. Emiatt a szelep nyitásánál egy úgynevezett nyitólökés lép fel, amely az egymással érintkező vezérműrészeket dinamikusan igénybe veszi. Záráskor pedig ütésszerűen éri el a szelep a szelepülést és az idő előtt kiverheti. Ezeket a kellemetlen hatásokat csökkenteni lehet a bütyökoldal átmeneti körívekkel való kiképzésével.
A dinamikai hatások radikálisan csökkenthetők az úgynevezett lökésmentes bütyök alkalmazásával. Ennek a gyorsulásgörbéje folyamatos, nincs szakadása. Ma már gyakran alkalmazzák az aszimmetrikus profilú bütyköket is. Ezzel elérhető, hogy a szelep lassabban (kisebb gyorsulással) ül vissza az ülésére, így annak kiverődése elmarad. A használat során megkopott bütyökfelület nem javítható.
A vezérmű-bütyökpárok (szívó- és kipufogó-) a vezérműtengelyen helyezkednek el. A bütyökpárokat a gyújtási távolságnak megfelelően, a hengerek gyújtási sorrendjének megfelelően helyezik el. A rendszerint kovácsolt vagy öntött kivitelű tengely bütykeit hőkezelik (keményítik), és pontos méretre köszörülik. A csapágyak átmérőjét és a tengely átmérőjét úgy kell meghatározni, hogy a tengely lehajlása a 0,05 mm-t ne lépje túl.
A valós munkafolyamatok és befolyásoló tényezők
A belsőégésű motorokkal szembeni követelmények igen összetettek, gyakran egymással ellentétes igényeket kell a fejlesztőknek kielégíteni. Az elméleti körfolyamatoktól a valóságos munkafolyamat számos tényező miatt eltér.
A töltetcsere dinamikai hatásai
A töltetcsere 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 kipufogó ütem vége (a felső holtpont) előtt nyitnak és csak az alsó holtpont után zárnak teljesen. A kipufogó szelep az expanzió vége előtt nyílik, a közeg nyomása pedig csökken, de az áramlási veszteségek miatt a nyomása környezeti nyomás felett marad.
A szelep együttnyitás és az égéstérben kialakuló áramlási viszonyok optimalizálásával elő lehet segíteni a töltési fok növelését a távozó füstgázok szívóhatásának segítségével. A kialakuló töltetre és így a töltési fokra jelentős hatást gyakorol a 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.
Hőátadás a motorban
A kompresszió kezdetén a friss töltet átlag hőmérséklete alacsonyabb, mint a fal hőmérséklete, így hőt vesz fel a falaktól. A kompresszió folyamán a közeg hőmérséklete növekszik, egy adott helyzetben a fal és a közeg átlag hőmérséklete megegyezik, és kialakul egy úgynevezett adiabatikus pont. Utána a közeg hőmérséklete tovább nő és a hőátadás iránya megváltozik, a közeg ad le hőt a falak irányában. A hőátadás az égési folyamat során tovább növekszik, majd csökken az expanzió során. Legjelentősebb hőátadási tag, jelentősen függ az áramlási és hőmérséklet viszonyoktól.
Az égési folyamat
A normális égési folyamat során a tüzelőanyagot az égéskezdeti pont(ok)ból elinduló lángfront gyújtja meg. Az égési folyamatot az úgynevezett elégett tüzelőanyag hányaddal lehet jellemezni. Az elégett tüzelőanyag hányad az égés kezdetekor 0% (számos definíció alapján akkor beszélünk valós égéskezdetkor, ha a tüzelőanyag 5% már elégett). Az égési folyamatot szemléletesebben az elégett tüzelőanyag hányad idő vagy főtengely szög szerinti deriváltjával lehet bemutatni. Az égési folyamatot gyakran az úgynevezett „Vibe” függvény segítségével írják le.
Gázveszteség és mechanikai veszteségek
A főmunkafolyamat során, főként az égési folyamat során, a gázok egy része a dugattyú és a 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.
Az indikált munkának csak egy része jelenik meg a motor tengelyén a mechanikai veszteségek miatt. A mechanikai veszteségek egyrészt a mozgó alkatrészek súrlódási veszteségeiből, másrészt a segédberendezések (olajszivattyú, vízszivattyú, hűtőventilátor, adagolószivattyú, gyújtóberendezés, stb.) hajtásához szükséges energiából tevődik össze. A motor munkafolyamatát a motor hengerterében kialakuló nyomással jellemezzük. A nyomás térfogat szerinti vagy szögelfordulás szerinti változását indikátordiagramnak szokás nevezni. Az indikált középnyomás olyan képzeletbeli állandó nyomás, amely a löket mentén ugyanazon munkát eredményezi, mint a tényleges nyomáslefutás. Az indikált középnyomás analógiájára beszélünk effektív középnyomásról is, ez az effektív teljesítményből számított középnyomás.
A motor másik alapvető jellemzője a tüzelőanyag fogyasztása, ami a munkafolyamat fenntartására fordított tüzelőanyag tömeg- vagy térfogatáramával, illetve a bejuttatott hő-árammal jellemezhető. A tüzelési folyamatok, így a belsőégésű motorokban is lezajlódó égési folyamat tüzelőanyag-levegő keverékének egyik fontos mérőszáma a légfelesleg tényező. Ez jelentősen befolyásolja a motor hatásfokát, teljesítményét és a károsanyag kibocsátást.
A motor teljes terheléses jelleggörbéi
A belsőégésű motorok teljes terheléses jelleggörbéi az adott fordulatszámokhoz tartozó maximális, azaz nem leszabályozott paraméterek változását mutatják a fordulatszám függvényében. Mint azt az előző fejezetekben is láthattuk, a töltési fok jelentősen függ a fordulatszámtól. Azonban nem csak a töltési fok befolyásolja a vizsgálat paramétereket. A fordulatszám függvényében a mechanikai veszteségek négyzetesen növekednek, miközben az egy ciklusra vonatkoztatott hőveszteség csökken, mivel a hőátadás időtartama folyamatosan csökken. Ezt részben kompenzálja, hogy a nagyobb áramlási sebességek hatására nő a hőátadás.