Energia-átalakító gépek II. HĘerĘgépek (mĦszaki menedzsereknek) Elektronikus tansegédlet http://infosrv.tech.klte.hu/~pokoradi http://pokoradilaszlo.tk
Összeállította: dr. Pokorádi László, fĘiskolai tanár
Debrecen, 2002.
ElĘszó Ezt az elektronikus tansegédletet a mĦszaki menedzser szakos hallgatóimnak állítottam össze az Energia-átalakító gépek II. (HĘerĘgépek) tantárgy elĘadásaim anyagai alapján. Remélem a jegyzet, tansegédlet írásának ezt a módja megfelelĘ fogadtatásra talál.
Debrecen, 2002. március
Pokorádi László
I
Tartalomjegyzék 1. 1.1. 1.2. 1.3.
A hĘerĘgépek csoportosítása, alapfogalmai és fejlĘdése BelsĘégésĦ motorok csoportosítása BelsĘégésĦ motorok alapfogalmai A belsĘégésĦ motor történetének rövid áttekintése
1 1 6 7
2. 2.1. 2.2. 2.3.
Dugattyús hĘerĘgépek ideális körfolyamatai Ideális Ott-körfolyamat Ideális Siesel-körfolyamat Sabathé (Seiliger) körfolyamat
10 10 12 13
3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4 3.5.
BelsĘégésĦ motorok tüzelĘanyagai Motorbenzin Gázolaj Keraszin Alternatív motorhajtó tüzelĘanyagok TüzelĘanyagok szĦrése
16 16 16 17 18 20
4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.
Motorolajok A motorolajokkal szemben támasztott követelmények A viszkozitás A stabilitás Adalékok A motorolajok osztályozása
24 24 24 24 25 26
5. A négyütemĦ benzinmotorok mĦködése, vezérlési diagramja 5.1. NégyütemĦ benzinmotor mĦködése 5.2. NégyütemĦ benzinmotor vezérlési diagramja
28 28 36
6.
A kétütemĦ benzinmotor mĦködése, vezérlési diagramja
38
7.. NégyütemĦ dízelmotor mĦködése és vezérlési diagramja 7.1. Befecskendezés 7.2. A befecskendezĘ szivattyúk kialakítása
44 46 50
8.
A kétütemĦ dízelmotor mĦködése és vezérlési diagramja
53
9.
A Wankel-motor
56
10. 10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. 10.6. 10.7. 10.8. 10.8.
A belsĘégésĦ motorok szerkezeti részei Benzinmotorok égésterei A dízelmotorok égésterei A henger A dugattyú DugattyúgyĦrĦk Dugattyúcsapok Hajtórúd Forgattyústengely Szelepek
58 58 59 62 67 70 71 72 73 74
11. 11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5.
A belsĘégésĦ motorok fĘbb jellemzĘi és fajlagos mutatói A motorok indikált jellemzĘi Az indikált középnyomás BelsĘégésĦ motorok hatásfokai Motor jelleggörbék BelsĘégésĦ motorok hĘmérlege
76 76 77 78 79 81
II
12. 12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5. 12.6. 12.7.
A dugattyús belsĘégésĦ motor kinematikája A dugattyú mozgásviszonyai TömegerĘk A hajtómĦben ható erĘk Tangenciális erĘdiagram EgyenlĘtlenségi fok és a lendítĘkerék Tömegkiegyenlítés Torziós lengések
83 83 84 86 87 88 90 90
13. 13.1. 13.2. 13.3.
A belsĘégésĦ motorok feltöltése A feltöltés lényege és célja A feltöltési eljárások csoportosítása A feltöltött motor teljesítménye
92 92 93 94
14. Keverékképzés a benzinmotorban 14.1. Karburátor 14.2. Benzinbefecskendezés
97 97 101
15. 15.1. 15.2. 15.4.
LevegĘszĦrĘk A levegĘ porszennyezettsége A levegĘszĦrĘk jellemzĘi LevegĘszĦrĘ-típusok
104 104 105 106
16. 16.1. 16.2. 16.3. 16.4. 16.5. 16.6. 16.7. 16.8.
BelsĘégésĦ motorok indítása A kézi indítás Dekompresszor Villamos indítóberendezések Hidraulikus indítóberendezés Pneumatikus indítóberendezés Benzines indítóberendezés Inercia-indítóberendezés SĦrített levegĘs indítóberendezés
110 110 111 112 114 114 115 115 116
17. Motorok hĦtése 17.1. FolyadékhĦtés (vízhĦtés) 17.2. LéghĦtés
118 119 124
18.
Kipufogórendszer
127
Felhasznált irodalom
IV.
III
1. A HėERėGÉPEK CSOPORTOSÍTÁSA, ALAPFOGALMAI ÉS FEJLėDÉSE A hĘerĘgépek olyan erĘgépek, melyek a kémiai energiát hordozó anyag, a tüzelĘanyag kémiai energiáját elĘbb hĘenergiává, majd mechanikai munkává alakítják át. A hĘenergiát hordozó anyag, a tüzelĘanyag lehet: 4 4 4
folyékony halmazállapotú (benzin, gázolaj, keverék); gáz (propán-bután gáz); szilárd anyag (fa, szén).
Attól függĘen, hogy a kémiai energia hĘenergiává való átalakulása a hengerek belsejében vagy azon kívül megy végbe, vannak: 4 4
belsĘégésĦ; külsĘégésĦ
hĘerĘgépek. A munkaközeg nyomását vagy mozgási energiáját hasznosítva az erĘgép lehet: 4 aerosztatikus (térfogat-kiszorítás elvén mĦködĘ); 4 aerodinamikus (a kinetikai energia elvén mĦködĘ). 4 4
Az aerosztatikus gépek csoportjába tartozik: a belsĘégésĦ: benzin vagy a dízelmotor; a külsĘégésĦ: gĘz- és hĘlégmotor.
4 4
Az aerodinamikus gépek csoportjába tartozik: a gázturbina; a gĘzturbina.
A legelterjedtebb benzin- és dízelmotorban a tüzelĘanyag levegĘvel alkotott keveréke ég el a motor hengerében, és az égés során keletkezĘ hĘ okozza a gáz nyomásának növekedését. A nyomásnövekedésbĘl származó erĘ mozdítja el a dugattyút a hengerben. A dugattyú egyenes vonalú, változó irányú mozgását a forgattyús mechanizmus alakítja át forgó mozgássá. A gázturbinákat elsĘsorban repülĘgépek, továbbá hajók és vasúti jármĦvek hajtására használták, az utóbbi években ezeket közúti vagy harcjármĦvekbe is beépítik. Itt az elégett tüzelĘanyaggal felmelegített, s így kitágulni kényszerülĘ gáz az égéstérbĘl kilépve jut a turbinába, amely átveszi az áramló gáz kinetikai energiáját. A gázturbinához külön légsĦrítĘt (légkompresszort) és égésteret alakítanak ki. A légsĦrítĘt indításkor általában villamos motor, majd az égés beindulása után a turbina hajtja, amely az elĘállított nagynyomású gáz energiájának egy részét használja fel. A gázturbina fordulatszáma körülbelül tízszer nagyobb, mint a belsĘégésĦ motoré, ezért a közlĘmĦben lényegesen nagyobb áttételezésre van szükség. A gĘzmotort másképpen dugattyús gĘzgépnek nevezzük. A gĘzkazánban termelt nagynyomású gĘz a hengerben egy dugattyút mozgat. A gĘz beömlését vezérmĦ irányítja tolattyúk, szelepek vagy csapok segítségével. A dugattyú alternáló mozgását forgattyús hajtómĦ alakítja át forgó mozgássá. A munkát végzĘ gĘz a kondenzátorba áramlik, vagy a szabadba távozik, esetleg, mint ellennyomású gĘz, hĘszolgáltatásra tovább hasznosítható. A külsĘégésĦ hĘerĘgépek csoportjába tartozik még a gĘzturbina, amelyben a vízgĘz hĘenergiája elĘbb mozgási energiává (turbinalapát), majd közvetlenül forgó mozgást végzĘ mechanikai energiává alakul át.
1.1. BELSėÉGÉSĥ MOTOROK CSOPORTOSÍTÁSA MĦködési elv szerint: 4 NégyütemĦ motor (i = 4). Egy munkafolyamatot négy löket alatt megvalósító motor. 4 KétütemĦ motor (i = 2). Egy munkafolyamatot két löket alatt megvalósító motor.
1
Munkatér (a dugattyú felsĘ holtpontpontjában: égéstér) kialakítása szerint: 4 Osztatlan munkaterĦ (égésterĦ) motor. 4 Osztott munkaterĦ (égésterĦ) motor szĦkülettel vagy egyéb módon két, esetleg több részre osztott munkaterĦ motor — a kamrás motor elnevezés is elterjedt.
1.1. ábra Ikerdugattyús motor A friss töltet bejutásának módja szerint: 4 Szívómotor a friss töltet (a levegĘ vagy a levegĘ és a tüzelĘanyag keveréke) csak a dugattyúmozgás által keltett szívóhatásra áramlik be a környezetbĘl a motor munkaterébe (vagy a forgattyúházába); 4 Feltöltött motor a friss töltet sĦrĦségét megnövelik a szívómotor munkaterébe jutó friss töltet sĦrĦségéhez képest: — mechanikus feltöltésĦ motor sĦrítĘje (feltöltĘ berendezése) a hajtást a motor forgattyús tengelyérĘl kapja; — turbófeltöltésĦ motor sĦrítĘje (feltöltĘ berendezése) a mĦködtetéséhez szükséges teljesítményt a motor kipufogógázával hajtott gázturbinától kapja; — dinamikus feltöltésĦ motor esetén a bejutó töltet sĦrĦségét a szívó- és/vagy kipufogó vezetékben fellépĘ nyomáshullámok növelik meg; — vegyes feltöltésĦ motor az elĘzĘ feltöltési módok kombinációival mĦködĘ motor. — idegen feltöltésĦ motor esetén a sĦrítést önálló feltöltĘ berendezés végzi, amelyet az adott belsĘégésĦ motortól független erĘgép mĦködtet. A töltet összetétele szerint: 4 LevegĘtöltésĦ motor, amelynek munkaterébe a levegĘ tüzelĘanyag nélkül jut be. 4 KeveréktöltésĦ motor, amelynek munkaterébe a levegĘ tüzelĘanyaggal keveredve jut be. A gyújtás jellege szerint: 4 BelsĘ gyújtású motor, amelyben a beadagolt tüzelĘanyag égésének megindításához (folyamatos üzemben) nem kell hĘt bevezetni külsĘ energiaforrásból: — kompresszió-gyújtású motor, amelyben a töltet hĘmérséklete a sĦrítés következtében a tüzelĘanyag gyulladási hĘmérséklete fölé nĘ; — izzófejes motor, amelyben az égést a munkatér valamely részében az elĘzĘ égésbĘl tartalékolt hĘ (izzó alkatrész) indítja meg. 4 KülsĘ gyújtású (szikragyújtású) motor, amelyben az égés megindításához szükséges hĘt külsĘ energiaforrás fejleszti, például villamos szikrával. A befecskendezés módja szerint (levegĘtöltésĦ, kompressziógyújtású dízelmotor esetében): 4 Közvetlen befecskendezésĦ motor, amelyben a tüzelĘanyagot osztatlan égéstérbe fecskendezik be. 4 Közvetett befecskendezésĦ motor, amelyben a tüzelĘanyagot a mellék munkatérbe fecskendezik
2
be, amely lehet elĘ-, vagy örvénykamra. A keverékképzés módja szerint: 4 KülsĘ keverékképzésĦ motor, amelyben a keverékképzés túlnyomó részben a munkatéren kívül (karburátorban, szívócsĘben) történik. 4 BelsĘ keverékképzésĦ motor, amelyben a keverékképzés a munkatérben történik. A keverékképzés módja szerint külsĘ gyújtású motorok esetében: 4 Porlasztásos keverékképzésĦ motor, amelyben a levegĘ és a tüzelĘanyag sebességének különbsége kezdi meg a tüzelĘanyag felbontását apró részecskékre: — szívóporlasztásos (karburátoros) motor szívóvezetékében elhelyezett keverékképzĘ szerkezetben (karburátoron) nagy sebességgel átáramló levegĘ szívja be és ragadja magával a tüzelĘanyagot (külsĘ keverékképzés); — nyomóporlasztásos motor szívóvezetékébe vagy munkaterébe a tüzelĘanyagot szivattyú juttatja be: ¾ kisnyomású befecskendezéses motor szívóvezetékébe a szivattyú juttatja a tüzelĘanyagot, amit innen az átáramló levegĘ ragad magával (külsĘ keverékképzés); ¾ nagynyomású befecskendezéses motor olyan nyomóporlasztásos motor, amelyben a szivattyú nagy sebességgel a munkatérbe juttatja a tüzelĘanyagot (belsĘ keverékképzés). 4 Párologtató, elgĘzölögtetéses keverékképzésĦ motor a folyékony halmazállapotú tüzelĘanyag megfelelĘ nyomás- és hĘmérsékleti viszonyok között gázhalmazállapotúvá változva keveredik a levegĘvel. A felhasznált tüzelĘanyag szerint: 4 Benzinmotor (nem ajánlott elnevezés az Otto-motor). 4 Dízelmotor (ajánlott elnevezés még a gázolajmotor). 4 Gázmotor. 4 Egyéb tüzelĘanyagú motor. 4 Több tüzelĘanyagú motor: — mindenevĘ motor a gázolajon kívül még folyékony tüzelĘanyag-párlatokkal is üzemeltethetĘ motor, a különbözĘ tüzelĘanyagok alkalmazása esetén, a motoron átállítás vagy egyéb beavatkozás nem szükséges; — átváltható motor két- vagy többféle tüzelĘanyaggal is mĦködtethetĘ motor, de az egyik tüzelĘanyagról a másikra való áttérés a motor üzemelésének megszakítása nélkül, a motorüzemet módosító kapcsoló átváltásával valósítható meg; — átállítható motor két- vagy többféle tüzelĘanyaggal is mĦködtethetĘ motor, az egyik tüzelĘanyagról a másikra való áttérés esetén a motor üzemelését meg kell szakítani és bizonyos alkatrészeket is cserélni kell. 4 KettĘs (vegyes) tüzelĘanyagú motor, amelyben egyidejĦleg két különbözĘ halmazállapotú (például gáz és folyékony) tüzelĘanyagot használnak fel. Forgásirány szerint: 4 Jobb forgású motor forgattyús tengelyének forgásiránya megegyezik az óramutató járásával a motor forgattyús tengelyének forgatónyomatékot leadó végével ellentétes irányból nézve. 4 Bal forgású motor forgattyús tengelyének forgásiránya az óramutató járásával ellentétes, a motor forgattyús tengelyének forgatónyomatékot leadó végével ellentétes irányból nézve. 4 Változtatható forgásirányú (reverzálható) motor, olyan motor, amely mindkét forgásirányban képes üzemelni. Munkaterenkénti dugattyúk száma szerint: 4 Egydugattyús munkaterĦ motor; 4 Kétdugattyús munkaterĦ (például ellendugattyús, vagy ikerdugattyús) motor.
3
Dugattyúnkénti munkatér szám szerint: 4 Egyszeres mĦködésĦ motor dugattyújának csak az egyik oldalán van munkatér; 4 KettĘsmĦködésĦ motor dugattyújának mindkét oldalán van munkatér.
1.2. ábra Szelepvezérlési rendszerek a – alul vezérelt, oldal szelepelt (SV); b – alul vezérelt, felül szelepelt (OHV); c;d – oldalt vezérelt, felül szelepelt (HC); e-h – felül vezérelt, felül szelepelt; i – alulvezérelt (oldalt vezérelt) változó szelepelrendezésĦ. A munkatér nyitása és zárása, illetve annak vezérlése szerint: 4 Szelepes motor: — oldalt vezérelt, oldalt szelepelt (SV) motor; — oldalt vezérelt, felül szelepelt (OHV) motor; — felül vezérelt, felül szelepelt (OHV, CIH) motor. 4 RésvezérlésĦ motor, amelyben a munkaközeg be- és kiáramló nyílásainak nyitását és zárását a motor dugattyúja vagy egy külön forgó alkatrész (például forgótárcsa vagy forgószelep) végzi: — szimmetrikus résvezérlésĦ az a motor, ahol a be- és kiömlés nyitása és zárása a holtponthoz képest szimmetrikus; — aszimmetrikus résvezérlésĦ az a motor, ahol a be- és kiömlés nyitása és zárása a holtponthoz képest aszimmetrikus; 4 Vegyes vezérlésĦ motor vezérlése a rés- és a szelepvezérlés kombinációja. A henger(ek) állása szerint: 4 Állómotor; 4 FekvĘmotor; 4 FüggĘmotor; 4 Döntött motor. A hengerek elrendezése és száma szerint: 4 Egytengelyes motor: — Egysoros (soros) motor hengerei egy síkban találhatók, a forgattyús tengely a hengerek síkjában van, vagy ezzel párhuzamos: ¾ U-motor, amelyben két dugattyú villás hajtórúdon keresztül egy forgattyúcsapot hajt; ¾ ellendugattyús motor alsó dugattyúja közvetlenül, felsĘ dugattyúja rudazaton keresztül a boxermotoréhoz hasonló forgattyús tengelyt hajt.
4
—
—
—
—
Kétsoros motor: ¾ V-motor esetén a két hengersor síkja egymással szöget zár be, a két sík metszésvonalában van a motor forgattyús tengelye (vagy azzal párhuzamos), a forgattyús tengelyre merĘleges, azonos vagy párhuzamos síkban lévĘ dugattyúk egy forgattyúcsapot hajtanak; ¾ boxermotor esetén a két hengersor egy síkban van és közös forgattyús tengelyt hajt és minden dugattyú külön forgattyúcsaphoz csatlakozik; Háromsoros motor: W-motor esetén a három hengersor síkja egymással szöget zár be. A három sík közös metszésvonalában van a motor forgattyús tengelye (vagy azzal párhuzamos). A forgattyús tengelyre merĘleges, azonos vagy párhuzamos síkban levĘ három dugattyú egy forgattyúcsapot hajt. Négysoros motor: X-motor esetén a négy hengersor síkja egymással szöget zár be (felváltva hegyes-, illetve tompaszöget). A síkok metszésvonalában van a motor forgattyús tengelye (vagy azzal párhuzamos). A forgattyús tengelyre merĘleges, azonos vagy párhuzamos síkban levĘ négy dugattyú egy forgattyúcsapot hajt. Csillagmotor. A hengerek a forgattyús tengelyre merĘleges síkban vannak, és egymással azonos szöget zárnak be. Ilyen egységbĘl egymás mögött több is elhelyezhetĘ.
1.3. ábra RésvezérlésĦ motor 4
4
Kéttengelyes motor: — kettĘs-soros motornál a hengerek két, egymással párhuzamos síkban találhatóak, mindkét hengersornak külön forgattyús tengelye van, amelyek egymással fogaskerék-kapcsolatban vannak; — H-motor két, egymással párhuzamos síkban levĘ boxer- , vagy 180°-os V-motor, amelyek forgattyús tengelyei egymással fogaskerék-kapcsolatban vannak; — kéttengelyes ellendugattyús motor alsó és felsĘ dugattyúinak külön-külön forgattyús tengelye van, amelyek egymással fogaskerék-kapcsolatban vannak; — a kettĘs V-motor két, egymás fölött elhelyezett V-motor, amelyek közül az alsó V-motor hengerszöge nagyobb, mint a felsĘé. A két V-motor forgattyús tengelye egymással fogaskerék kapcsolatban van. Háromtengelyes motor: Háromszög alakban összeépített három ellendugattyús motor. A forgattyús tengelyek a háromszög sarkaiban vannak, és egymással fogaskerék kapcsolatban állnak.
5
4
Többtengelyes motor.
1.4. ábra KülönbözĘ henger- és forgattyús tengely-elrendezésĦ motorok a - egysoros, állóhengerĦ motor; b - egysoros fekvĘhengerĦ (horizontális) motor; c - kétsoros Vmotor; d - kétsoros boxer-elrendezésĦ motor (180°-os V-elrendezés); e - egysoros ellendugattyús motor, két forgattyús tengellyel; f - háromsoros, háromtengelyĦ, ún. deltamotor; g - kétsoros, két forgattyús tengelyĦ ikerelrendezés; h - négysoros egy forgattyús tengelyĦ X-motor; i - csillagmotor
1.5. ábra Boxer hengerelrendezésĦ motorok a – 180O-s V-motor; b - boxermotor
1.2. BELSėÉGÉSĥ MOTOROK ALAPFOGALMAI A belsĘégésĦ motorokkal kapcsolatos fĘbb fogalmakat és azok meghatározásait az MSZ 1652-83 tartalmazza. A belsĘégésĦ motor olyan hĘerĘgép, amelynek a munkaterében (a munkavégzĘ közegben) alakul át a beadagolt tüzelĘanyag kémiai energiája hĘenergiává, majd nyomás- és térfogatváltozás révén munkává. A belsĘégésĦ dugattyús motor munkaterében a periodikus mozgást végzĘ dugattyú, a munkafolyamatban részt vevĘ közeggel kölcsönhatásban, forgattyús vagy más (például körhagyós) hajtómĦvet mĦködtet. Forgódugattyús motor dugattyúja egy körpályán mozog vagy bolygómozgást végez. Szabaddugattyús motor alternáló mozgást végzĘ dugattyúja a terheléstĘl függĘ határhelyzetek között mozog.
6
A munkatér a hengerfej, a henger belsĘ felülete és a dugattyú által határolt tér, a hengerfejben vagy a dugattyútestben kialakított üregekkel, kamrákkal együtt. A munkatér térfogata a dugattyú mozgása közben változik a két szélsĘ (dugattyús motoroknál az alsó és a felsĘ holtponthoz tartozó) térfogat között. Az égéstér (kompresszió-térfogat) a munkatér legkisebb, a dugattyú felsĘ holtpontjához tartozó, térfogata. A munkafolyamat a ciklikusan ismétlĘdĘ energiaátalakulás egy periódusa. A munkafolyamat (egymástól élesen szét nem választható) részei: 4 a friss közeg (töltet) beáramlása a munkatérbe (szívás vagy töltés); 4 sĦrítés (kompresszió); 4 égés, terjeszkedés (expanzió); 4 a közeg kiáramlása a munkatérbĘl (kipufogás). A sĦrítés, az égés és a terjeszkedés együtt a fĘmunkafolyamat; a közeg be- és kiáramlása a töltetcsere. Az égés a sĦrítés vége elĘtt kezdĘdik, és a terjeszkedési folyamatban fejezĘdik be. Az elméleti munkafolyamat egy a számítás céljából különbözĘ mértékben idealizált munkafolyamat. A munkafolyamat leírásakor az idealizálás mértékét meg kell adni, például a súrlódás elhanyagolható, a munkaközeg ideális kétatomos gáz vagy valóságos gáz, a közeg cserélĘdik vagy nem cserélĘdik, a hĘközlés közvetve vagy közvetlenül megy végbe. A valóságos munkafolyamat a ténylegesen megvalósított (megvalósítható), meghatározott (meghatározható), mért (mérhetĘ) vagy regisztrált (regisztrálható) munkafolyamat. Az ütem a munkafolyamat egy-egy löketre esĘ része. A munkaütem az az ütem, amely a terjeszkedést (expanziót) magában foglalja. Holtpont a dugattyú valamely kijelölt pontjának helyzete a dugattyúmozgás irányváltásának pillanatában. FelsĘ (külsĘ) holtpont (FHP) a forgattyús tengelytĘl távolabb levĘ holtpont. Alsó (belsĘ) holtpont (AHP) a forgattyús tengelyhez közelebb levĘ holtpont.
1.6. ábra A belsĘégésĦ motor veszteségei a valóságos és egy — adott módon idealizált — elméleti munkafolyamat eltéréseibĘl származó veszteségek. Az indikátordiagram a munkavégzĘ közeg nyomásának változását ábrázoló grafikon a munkatérben egy munkafolyamaton belül, a munkatér térfogatváltozásának vagy a forgattyús tengely szögelfordulásának függvényében.
1.3. A BELSėÉGÉSĥ MOTOR TÖRTÉNETÉNEK RÖVID ÁTTEKINTÉSE A négyütemĦ belsĘégésĦ motor mĦködési elvét Beau de Rochas francia mérnök már 1861-ben ismertette, de az egyébként helyes elméletét nem követte gyakorlati megvalósítás. Christian Reithmann müncheni órásmester állítólag már 1873-ban elkészített egy négyütemĦ motort, ezt azonban nem tudta bebizonyítani. Nikolaus August Otto 1862-ben készítette el elsĘ négyütemĦ
7
motorját, amely azonban nem bizonyult életképesnek. Több évtizedes próbálkozás után 1876-ban szabadalmaztatta motorját, amely az elsĘ mĦködĘképes négyütemĦ motornak tekinthetĘ. A belsĘégésĦ motor készítĘi — természetesen még a négyütemĦ motor létrejötte elĘtt — nem ismerték fel a gyújtást megelĘzĘ sĦrítés jelentĘségét, így az általuk készített motorok nagyméretĦek, nehezek és nagyon gazdaságtalanok voltak. Ilyen volt a francia Lenoir, akinek 1860-ban jelent meg a kétütemĦ elv szerint mĦködĘ gázgépe. A szívóütem a löket feléig terjedt, majd a sĦrítetlen keverék gyújtását követĘen, a hátralevĘ fél ütemben történt a terjeszkedés. A következĘ ütemben a dugattyú kitolta az égéstermékeket a hengerbĘl. A Lenoir-féle motor kétütemĦ, a gĘzgépekhez hasonlóan kettĘsmĦködésĦ volt, körhagyóval vezérelt szívó- és kipufogó-tolattyúval, a keveréket villamos szikra gyújtotta meg. Lenoir rossz hatásfokú, de mĦködĘ motorjának több, kevésbé sikeres elĘzménye is volt (1794 Street, 1801 Lebon, 1842 Drake). 1871-ben Bishop, Hugon és Hock a Lenoir-motor továbbfejlesztett változatával "már" 2 ~ 4 %-os hatásfokot ért el. Mivel a forgattyús mechanizmust az égési nyomás hatásának elviselésére nem tartották képesnek, 1867-ben Otto és Eugen Langen szabaddugattyús, forgattyús hajtómĦ nélküli konstrukcióval jelent meg. Az Ottó-Langen-féle atmoszferikus gázgép, löketének csekély hányadában (körülbelül 1/12 részében) szívta be a világítógáz-levegĘ keveréket, majd ezután következett be a gyújtás. A gáz terjeszkedése a dugattyút szabadon mozgatta felfelé, amíg a hengerben a nyomás a környezeti alá nem csökkent. A munkavégzés a következĘ, második ütemben történt. A dugattyút a külsĘ levegĘ nyomása és a tömegére ható gravitációs erĘ a kezdeti, alsó állásába nyomta vissza. A lefelé mozgást a dugattyúrúdon levĘ fogasléc és a kilincsmĦves fogaskerék alakította át a forgattyús tengely forgó mozgásává. Az Otto-Langen-féle atmoszferikus gázgép hatásfoka elérte a 15 %-ot is, és néhány éven belül több mint 5000 gépet állítottak üzembe, 0,3 ~ 2 kW teljesítménnyel. Folyékony tüzelĘanyagot elĘször a bécsi Hock használt 1873-ban egy Lenoir-elven mĦködĘ motorban, illetve. az amerikai Brayton. A folyékony tüzelĘanyag átütĘ sikerét azonban a karburátor alkalmazása jelentette. A karburátor feltalálójaként a külföldi szakirodalom Wilhelm Maybach nevét tartja számon, aki 1893. augusztus 17-én kapta meg a francia szabadalmat találmányára. Nem hallgathatjuk el azonban, hogy Bánki Donát, a budapesti Ganz gyár mérnöke, a Budapesti MĦegyetem tanára és Csonka János gépészmérnök már korábban, 1893. február 11-én benyújtották "Újítások petróleum-motorokon" címĦ találmányukat, amelynek egyik igénypontja volt az állandó nívójú és a motor szívó hatására mĦködĘ fúvókás porlasztó, amit "carburátor"-nak neveztek. Néhány évvel a négyütemĦ motor feltalálása után, 1884-ben jelent meg Benz találmánya, a keveréksĦrítésĦ kétütemĦ motor, egy fekvĘ henger elrendezésĦ, vezérelt szívó- és kipufogószeleppel mĦködĘ gázmotor. A keverék sĦrítése a forgattyúházban ment végbe. 1894-ben Benier a keverék sĦrítését dugattyús sĦrítĘvel oldotta meg, a kipufogó gázok a motor dugattyúja által vezérelt résen távoztak. Forgattyúház-sĦrítés és résvezérlés — a mai kis, kétütemĦ motorokhoz hasonlóan — elĘször 1898-ban Körting motorján volt egyidejĦleg. Ugyanezt folyékony tüzelĘanyaggal elĘször Söhlein és Güldner valósította meg. 1893-ban Oechelhäuser és Junkers kifejlesztette az egyenáramú, résvezérlésĦ, ellendugattyús kétütemĦ motort. 1873-tól kezdve lehet találkozni olyan szabadalmi leírásokkal, amelyek a gáz- vagy folyékony tüzelĘanyag-levegĘ keverék tüzelĘanyagot az égésfolyamat közben juttatják be az égéstérbe (Brayton, Akroyd, Söhnlein, Capitaine) . Ezek a dízelmotor közvetlen elĘdeinek tekinthetĘk. Rudolf Diesel kezdetben a Carnot-körfolyamat megvalósítását tĦzte célul maga elé, szénpor tüzelĘanyaggal. Diesel-nek hosszadalmas próbálkozások után, 1897-ben sikerült motorját a Maschienenbau Augsburg és a Krupp cég támogatásával gyakorlati célokra is alkalmas szinten piacra hoznia. A nagyon jó hatásfokú (de gyakorlati célokra alkalmatlan) Carnot-körfolyamatot ugyan nem valósította meg, de így is egy addig elérhetetlennek tĦnĘ jó hatásfokot ért el a szikragyújtáshoz képest egyszerĦbb kompresszió gyújtással. A tüzelĘanyag befecskendezése a nehezebb nyersolajpárlatok alkalmazását is lehetĘvé tette. A dízelmotor további fejlesztĘi közül a svájci Alfred Büchi (turbófeltöltés), a német Rudolf Pawlikowski (szénpor tüzelĘanyagú motor), Prosper l'Orange (elĘkamrás motor) és Sieffried Meurer (több tüzelĘanyagú motor) nevét érdemes megjegyezni. Nemzetközi szinten is jelentĘs Jendrassik György dízelmotor-fejlesztéssel kapcsolatos tevékenysége. A gázturbinák fejlĘdése csak késĘbb indult meg. Az elsĘ ide vonatkozó szabadalom ugyan már 1791-bĘl John Barber-tĘl származik, de a szükséges ismeretek hiányában ezek eredménytelenek maradtak. A gázturbinákat megelĘzte a gĘzturbina (feltalálói a svéd Dc Laual és az angol Parsons)
8
megvalósítása. A gĘzturbinával szerzett tapasztalatok alapján készítette Holzwarth 1913-ban az elsĘ, mĦködĘ gázturbinát. A magyar Jendrassik György a gázturbina fejlesztésében is kiemelkedĘ munkát végzett, és 1938-ban jó hatásfokú kísérleti gázturbinája világszerte feltĦnést keltett. Sorozatgyártású gázturbinát stacionárius célokra 1939-ben hozott ki elĘször a Brown-Boveri cég. A gázturbinák fejlesztése során, századunk 30-as éveiben új hajtás is született, a gázsugárhajtás. Ez a gép elsĘsorban a nagy sebességĦ repülĘgépek számára alkalmas. JelentĘs javulás volt tapasztalható a dízelmotorok gazdaságossága szempontjából az 1960-as évek elejétĘl kezdĘdĘen, annak következtében, hogy egyre több gyártó tért át a korábbi kamrás motorok helyett a közvetlen befecskendezésre. Az 1960-as évek végén és a 70-es évek elején a belsĘégésĦ motorral hajtott gépjármĦvek kipufogó gázainak környezetszennyezĘ hatása egyes országokban kezdett kritikussá válni. Ennek felismerése és a nyersolaj árának ezzel egyidejĦleg bekövetkezett rohamos emelkedése újabb lendületet adott a belsĘégésĦ motorok fejlesztési munkálatainak. Ennek a fejlesztĘmunkának az eredményei napjainkban már megmutatkoznak. Az új fejlesztésĦ motorok a korábbiaknál lényegesen gazdaságosabbak és egyre szigorúbb környezetvédelmi elĘírások teljesítésére képesek.
9
2. DUGATTYÚS HėERėGÉPEK IDEÁLIS KÖRFOLYAMATAI 2.1. IDEÁLIS OTTO-KÖRFOLYAMAT Ez a körfolyamat — amely nevét a benzinüzemĦ dugattyús motor elsĘ szerkesztĘjétĘl kapta — a belsĘégésĦ dugattyús motorok (függetlenül attól, hogy az benzin, vagy dízelmotor) legegyszerĦbb idealizált körfolyamata. Egyes szakirodalmak a tökéletes szikragyújtású motor körfolyamatának nevezik. Az Otto-körfolyamat a belsĘégésĦ dugattyús motorokban a következĘképpen jön létre (2.1. ábra).
2.1. ábra A dugattyú a felsĘ holtpontból az alsó holtpont felé haladva (0-1 folyamat), a szívószelepen keresztül tüzelĘanyag-levegĘ keveréket szív be a hengerbe. Ekkor állapotváltozás nincsen, ezért ez a folyamat az ideális Otto-körfolyamathoz nem tartozik közvetlenül, mi itt csak a gép mĦködésének megértése érdekében ismertetjük. Ezután a szívószelep zár, a dugattyú a beszívott munkaközeget az 1– 2 vonal mentén adiabatikusan összesĦríti, majd a dugattyú felsĘ holtponti helyzetében az égĘképes keveréket gyújtószikrával gyújtja meg. A gyújtás után felszabaduló hĘ robbanásszerĦen (elméletileg térfogatváltozás nélkül) ég el — 2–3 izochor hĘközlés. A hĘközlés után adiabatikusan expandál (3–4 vonal), miközben a dugattyú a felsĘ holtpontjától az alsó felé halad. A 4–1 izochor folyamat segítségével a körfolyamat zárásához szükséges hĘmennyiséget vonjuk el. Ez a folyamat a valóságban úgy játszódik le, hogy az expanzió után, a dugattyú alsó holtponti helyzetében kinyitjuk a kipufogószelepet, ezen keresztül az 1–0 folyamat mentén a dugattyú mozgása segítségével az égéstermékek a szabadba távoznak, így a hĘmennyiséget a környezet vonja el az égéstermékekbĘl. Az Otto-körfolyamat tehát a következĘ rész-folyamatokból áll: 1–2 adiabatikus sĦrítés (kompresszió); Adiabatikusnak nevezzük azokat a hĘtani folyamatokat, amelyek során nem lép fel hĘcsere a rendszer (jelen esetben a henger) és a környezet között. 2–3 izochor hĘközlés; 3–4 adiabatikus terjeszkedés (expanzió); 4–1 izochor hĘelvonás. Az Otto-körfolyamatnak két jellemzĘje van, ezek: 4 SĦrítési arány vagy Kompresszióviszony: a V1 teljes hengertérfogat és a V2
10
kompressziótérfogat
H 4
V1 V2
v1 v2
(2.1)
viszonya. HĘviszony vagy Izochor nyomásviszony: a 2 és 3 jelĦ állapotok közötti kapcsolatot jellemzi:
O
T3 T2
p3 p2
(2.2)
A fenti jellemzĘk ismeretében az állapotjelzĘk a körfolyamat jellegzetes pontjaiban az alábbi táblázat szerint számíthatók. Szívás vége — 1 pont
T1
p1
Kompresszió vége — 2 pont T2 T1H N 1 (2.3a)
v1
p1H N
p2
(2.3b)
v1
v2
H
(2.3c)
HĘközlés vége — 3 pont
T3
OT2
(2.4a)
p3
Op 2
(2.4b)
v3
v2
(2.4c)
p3
(2.5b)
v4
v1
(2.5c)
Expanzió vége — 4 pont
T4
T3
H
N 1
OT2
(2.5a)
p4
H
N
Ha a körfolyamatban egységnyi mennyiségĦ munkaközeg vesz részt, akkor a (2–3 vonal mentén) bevezetett hĘmennyiség: q1 cv T3 T2 , (2.6) illetve a (4–1 görbe mentén) elvezetett hĘmennyiség: q2 cv T4 T1 , (2.7) valamint a fajlagos hasznos munka: Wh q1 q2 Wh ~ T(1234 ) (2.8) A körfolyamat termikus hatásfoka:
Kt
Wh q1
q1 q2 q1
1
q2 q1
.
(2.10)
Figyelembe véve a (2.6) és (2.7) egyenleteket és a hĘmérsékletviszonyokra felirt (2.5a) és (2.3a) összefüggéseket:
Kt
1
T4 T1 T3 T2
1
Kt
1
O 1 T1 O 1 T2
1
T1 T2
,
azaz:
1
H
N 1
.
(2.11)
Az ideális Otto-körfolyamat hatásfoka tehát csak a sĦrítési aránytól és a munkaközeg adiabatikus kitevĘjétĘl függ, amit a 2.2. ábra szemléltet. Látható, hogy mind a sĦrítési arány. mind az adiabatikus kitevĘ növekedése a hatásfokokat javítja. Benzinmotoroknál İ = 6 ~ 9 (maximum 12), ennél nagyobb értékeknél az öngyulladás, illetve kopogás veszélye áll fenn. A Diesel-motoroknál İ = 15 ~ 24, ahol az öngyulladás követelménye miatt éppen nagy sĦrítési arány szükséges. A Diesel-motorok termikus hatásfoka tehát már elméletileg is jobb, mint a benzinmotoroké, a valóságban ez a különbség még inkább növekszik a Diesel-motorok javára. Ideális, kétatomos munkaközegnél (a tiszta levegĘ ezt igen jó1 megközelíti) ț = 1,4. Az égéstermékek és így a valóságos munkaközegek adiabatikus kitevĘje kisebb, mint a levegĘé (ț = 1,25
11
~ 1,3), ezért az egyébként teljesen ideális állapotváltozásokból összetett Otto-körfolyamatnál a munkaközeg valóságos volta következtében már bizonyos hatásfokcsökkenés következik be.
2.2. ábra
2.2. IDEÁLIS DIESEL-KÖRFOLYAMAT Ezt a körfolyamatot képzelte el Rudolph Diesel, ami szerint mĦködtek az elsĘ idĘkben a lassú égésĦ dízelmotorok. A motorok fajlagos teljesítményének és gazdaságosságának növelése azonban az égésfolyamat gyorsítását és a fordulatszám növelését tette szükségessé. A Diesel-körfolyamatot a mai dízelmotorokban még csak közelítĘen sem lehet megvalósítani, mivel az égési sebesség olyan nagy, hogy állandó nyomáson történĘ égés megvalósítása szóba sem jöhet.
2.3. ábra
1–2 2–3 3–4 4–1 4
A Diesel körfolyamat tehát a következĘ rész-folyamatokból áll: adiabatikus sĦrítés (kompresszió); izobar hĘközlés; adiabatikus terjeszkedés (expanzió); izochor hĘelvonás. A Diesel körfolyamatnak két jellemzĘje van, ezek: SĦrítési arány vagy Kompresszióviszony: a V1 teljes kompressziótérfogat
H
V1 V2
v1 v2
viszonya.
12
hengertérfogat
és
a
V2
(2.12)
4
Izobar expanzióviszony: a 2 és 3 jelĦ állapotok közötti kapcsolatot jellemzi:
U
T3 T2
v3 v2
.
(2.13)
A fenti két jellemzĘ ismeretében az állapotjelzĘk a körfolyamat jellegzetes pontjaiban az alábbi táblázat szerint számíthatók: Szívás vége — 1 pont
T1
p1
Kompresszió vége — 2 pont T2 T1H N 1 (2.14a) HĘközlés vége — 3 pont T3 UT2 (2.15a)
p2
v1
p1H N
(2.14b)
p3
p2
p4
§v · p3 ¨¨ 3 ¸¸ © v4 ¹
v2
(2.15b)
v1
H
(2.14c)
v3
Uv 2
(2.15c)
v4
v1
(2.16c)
Expanzió vége — 4 pont
T4
§v · T3 ¨¨ 3 ¸¸ © v4 ¹
N 1
(2.16a)
N
(2.16b)
Ha a körfolyamatban egységnyi mennyiségei munkaközeg vesz részt, akkor a (2–3 vonalon) bevezetett hĘmennyiség: q1 c p T3 T2 , (2.17) illetve a (4–1vonal mentén) elvezetett hĘmennyiség:
q2
cv T4 T1
,
(2.18)
valamint a fajlagos hasznos munka:
Wh
q1 q2 Wh ~ T(1234 )
.
(2.19)
A körfolyamat termikus hatásfoka (levezetés nélkül):
Kt
Wh q1
1
1
H N 1
UN 1 N U 1
.
2.20)
2.3. SABATHÉ (SEILIGER) KÖRFOLYAMAT A belsĘégésĦ dugattyús motoroknál a hĘfelszabadulás a dugattyú égés alatti elmozdulása következtében olyan törvényszerĦséggel is végbemegy, melyet állandó nyomású hĘközléssel lehet jól közelíteni. Az olyan körfolyamatot, melyeknél a hĘközlés izochor és részben izobar módon megy végbe, Sabathé vagy Seiliger körfolyamatnak nevezzük. Egyes szakirodalmak ezt a körfolyamatot nevezik a tökéletes dízelmotor körfolyamatának. A mai dugattyús motorok munkafolyamatát az ideális körfolyamatok közül a Sabathé körfolyamat közelíti meg legjobban, melyet még a hĘközlés izochor és izobar módon történĘ közelítése következtében vegyes, vagy kevert körfolyamatnak is nevezünk. A Sabathé körfolyamat a következĘ részfolyamatokból áll (2.4. ábra): 1–2 adiabatikus kompresszió; 2–3 izochor hĘközlés; 3–4 izobar hĘközlés; 4–5 adiabatikus expanzió; 5–1 izochor hĘelvonás. A körfolyamat jellemzĘi: 4 SĦrítési arány vagy kompressziótérfogat
Kompresszióviszony:
13
a
V1
teljes
hengertérfogat
és
a
V2
H
V1 V2
v1 v2
(2.21)
aránya.
2.4. ábra 4
HĘviszony vagy Izochor nyomásviszony: a 2 és 3 jelĦ állapotok közötti kapcsolatot jellemzi:
O 4
T3 T2
p3 p2
.
(2.22)
Izobar expanzióviszony: a 3 és 4 jelĦ állapotok közötti kapcsolatot jellemzi:
U
T4 T3
v4 v3
.
(2.23)
A fenti jelölések figyelembevételével az állapotjelzĘk az egyes pontokban a következĘképpen határozhatók meg: Szívás vége — 1 pont
T1
p1
Adiabatikus kompresszió vége — 2 pont T2 T1H N 1 (2.24a) p2 p1H N
v1 (2.24b)
v2
v1
H
(2.24c)
Izochor hĘközlés vége — 3 pont T3 OT2 (2.25a)
p3
Op 2
(2.25b)
v3
v2
(2.25c)
Izobar hĘközlés vége — 4 pont T4 UT3 (2.26a)
p4
p3
(2.26b)
v4
Uv 3
(2.26c)
v5
v1
(2.27c)
Adiabatikus expanzió vége — 5 pont
T5
§v · T4 ¨¨ 4 ¸¸ © v5 ¹
N 1
(2.27a)
p5
§v · p4 ¨¨ 4 ¸¸ © v5 ¹
N
(2.27b)
A közölt teljes hĘmennyiség:
q1
cv T3 T2 c p T4 T3
14
.
(2.28)
A körfolyamatból izochor módon elvonandó hĘ:
q2
cv T5 T1
.
(2.29)
A körfolyamatból nyerhetĘ fajlagos hasznos munka:
Wh
cv T3 T2 c p T4 T3 cv T5 T1
.
(2.30)
A körfolyamat hatásfoka (levezetés nélkül):
Kt
1
q2 q1
1
cv T5 T1 1 OU N 1 1 N 1 cv T3 T2 c p T4 T3 H O 1 NO U 1
.
(2.31)
Itt is megfigyelhetĘ az Otto-körfolyamat eredményeibĘl levont következtetés helyessége, miszerint a körfolyamat hatásfoka a hĘközlés határait megadó jellemzĘktĘl függ. A Sabathé körfolyamatnál izochor és izobar módon történik a hĘközlés, így a termikus hatásfokot meghatározó összefüggésben a sĦrítési aránynak és izobar expanzióviszonynak feltétlenül szerepelnie kell. Mivel az izobar hĘközlés következtében nincs közvetlen kapcsolat a két izochor állapotváltozás között (az Ottokörfolyamatnál az izochor hĘközlés és hĘelvonás között az teremt kapcsolatot, hogy azok kezdĘ, illetve végpontjai egyazon adiabatán fekszenek) ezért az egyik izochor jellemzĘjének (jelen esetben a hĘközlésnek) még be kell kerülnie a termikus hatásfokot meghatározó összefüggésbe. A Sabathé körfolyamat termikus hatásfoka a sĦrítési arány függvényében izochor nyomásviszony és izobar expanzióviszony paramétereként a 2.5. ábrán látható.
2.5. ábra
15
3. BELSėÉGÉSĥ MOTOROK TÜZELėANYAGAI 3.1. A MOTORBENZIN A motorbenzin szénhidrogén-vegyületek elegye. A benzin kompressziótĦrésének legfĘbb mutatója az OZ jelzésĦ oktánszám. A kompressziótĦrés azt fejezi ki, hogy a benzin–levegĘ keverék mekkora nagyságú nyomást képes elviselni öngyulladás nélkül. A kompressziótĦrés nemcsak a tüzelĘanyagtól, hanem az égéstér kialakításától, a beszívott levegĘ nyomásától, hĘmérsékletétĘl és páratartalmától, a tüzelĘanyag–levegĘ keverék minĘségétĘl, hĘmérsékletétĘl, a gyújtás jellemzĘitĘl és a motor üzemétĘl is függ. Az oktánszám adott etalon tüzelĘanyaggal való összehasonlítással határozható meg. Az etalon tüzelĘanyagot két ellentétes kompressziótĦrésĦ tiszta szénhidrogénbĘl keverik. Az egyik, a normálheptán, amelynek kis kompressziótĦrése egyetlen nyújtott szénláncának könnyĦ szétbomlásával és oxidációjával magyarázható. A másik az izooktán, amely nagy kompressziótĦrésĦ, ami azzal magyarázható, hogy mint az oktán izomerjének tömörebb molekulája van, szénatomjai elágazóak, és így stabilisabb vegyületet alkot. A tüzelĘanyag oktánszámának nevezzük az etalon (normál-heptán — izooktán) keverékben levĘ izooktán-térfogatszázalékot, amely keverék kompressziótĦrése azonos szabványos körülmények között megegyezik a vizsgált tüzelĘanyagéval. A 100 feletti oktánszámot az elĘbbi módon felvett grafikon lineáris extrapolációjával határozzák meg. A körülményektĘl, a vizsgálati berendezésektĘl és az alkalmazott vizsgálati eljárásoktól függĘen, az oktánszám meghatározására több vizsgálati módszer ismert. Így a kísérleti (research) módszer, a motormódszer, a szegénykeverékes (aviation), a dúskeverékes (supercharged) és az országúti módszer. A felsorolt vizsgálati módszerek közül a kísérleti és a motormódszer a leggyakrabban használatos. A kísérleti módszerrel meghatározott ROZ oktánszám vizsgálati módszereit az MSZ 2183 rögzíti, míg a motormódszerrel meghatározott MOZ oktánszám vizsgálati körülményeit az MSZ 2243 írja elĘ. A kísérleti oktánszám kis hĘterhelés és kisebb fordulatszám esetén, a városi forgalomban észlelhetĘ kopogás szempontjából jellemzi jobban a benzint. A motoroktánszám a melegüzem melletti, egyenletes terhelésnél, az országúti forgalomnak megfelelĘ körülmények közötti kompressziótĦrésre ad hĦbb képet. Az a benzin, amely kompaktabb struktúrájú szénhidrogénláncokat tartalmaz (izoparaffin, aromás), nagyobb kompressziótĦrésĦ. Jelenleg a benzinek kompressziótĦrésének növelésére két módszert fejlesztettek ki, a vegyi eljárást és az adalékolást. Az oktánszám vegyi úton való növelésével nĘ a benzin elĘállítási költsége is. A vegyi eljárásban létezik egy gazdaságossági szempontból optimális oktánszám. A különbözĘ adalékok benzinhez keverésével lényegesen javítható az oktánszám. A legrégebbi oktánszámnövelĘ adalék az ólom-tetraetil {Pb(C2H5)4}, amely ez égési reakcióban ellenkatalizátorként mĦködik. Más adalékok, kobalt-, mangán-, vasvegyületek is léteznek. Az ólomtartalom csökkentése vagy elhagyása a benzinben az aromás szénhidrogének növeléséhez vezet. Az aromás szénhidrogének bizonyos értéken felüli növelése a benzinben a következĘket okozhatja: 4 a kipufogógázban a karcinogén szénhidrogének növekedése; 4 a NOX nitrogén-oxid kibocsátás növekedése; 4 végforráspont növekedése; 4 az országúti kompressziótĦrĘ tulajdonság kedvezĘtlenebb lesz, mint az azonos kísérleti oktánszámú, ólomadalékkal készült benziné.
3.2. A GÁZOLAJ A gázolaj a dízelmotorok tüzelĘanyaga. A gyulladási késedelmet a gázolaj fizikai és kémiai tulajdonságai befolyásolják. A gázolaj fizikai tulajdonságain a viszkozitást és a felületi feszültséget, míg a kémiai tulajdonságán a molekulák struktúráját értjük. Az öngyulladási tulajdonságok jellemzésére a legfĘbb mutató a CZ cetánszám. A cetánszámot egy etalon tüzelĘanyaggal való összehasonlítás alapján határozzák meg. Azonos vizsgálati körülmények között az adott gázolaj és az etalon tüzelĘanyag öngyulladási tulajdonságainak azonosnak kell lenniük. Az etalon tüzelĘanyag két ellentétes öngyulladási tulajdonságú tiszta 16
szénhidrogén elegyébĘl készül. Az egyiknek kicsi a kémiai stabilitása, a másik igen nagy öngyulladási ellenállású. Igen kis gyulladási késedelmĦ vegyületként a cetánt {C16H34} használják, amely egyenes szénlánca miatt viszonylag kis hĘmérsékleten, oxigén jelenlétében könnyen felbomlik. Nagy gyulladási késedelmĦ szénhidrogénként az Į-metil-naftalint {C10H7CH3} alkalmazzák, amely egy aromás szénhidrogén. Az öngyulladással szembeni nagy ellenállása a molekula tömörebb voltával magyarázható, atomjai kettĘskötésĦ zárt láncot képeznek. A gázolaj cetánszámát, egy a gyulladási hajlam tekintetében azonos etalonkeverék térfogatszázalékban kifejezett cetántartalma adja. A kis cetánszámú — tehát a kis gyulladási hajlamú — tüzelĘanyag — az öngyulladási idĘ növekedése miatt — a motor igen kemény járásához vezet, ami a csapágyterhelések növekedését okozhatja. Mivel a cetánszám az öngyulladási készséget fejezi ki, az oktánszám pedig az öngyulladási ellenállást, a két jellemzĘ fordított arányosságban áll egymással, ezt a kapcsolatot a (3.1) összefüggés igen jó közelítéssel írja le:
CZ
60
OZ 2
.
(3.1)
A hazai kereskedelmi, kis kéntartalmú gázolaj (A minĘség) cetánszáma 45, míg az AB és AC minĘségi fokozatúé 42. A gázolaj kéntartalmától nagymértékben függ a dízelmotor élettartama. A gázolajban jelen levĘ kénvegyületek korróziót okoznak, valamint hozzájárulnak a lerakódások megszilárdulásához. E korrodáló hatásnak legjobban kitett alkatrészek az adagolószivattyú és a porlasztó fúvókája. A nagy kéntartalmú gázolaj a porlasztó üzembiztonságát veszélyezteti. A gázolaj kénvegyületei a motorba jutva kén-dioxiddá és kén-trioxiddá égnek el. Kialakulásuk fĘleg hideg motor esetén, a bemelegítés idĘszakában jelentĘs. Ezzel indokolható napjainkban az a törekvés, amely szerint a motor melegítési üzemidejét minél nagyobb mértékben csökkenteni kell. A dízelmotorokhoz használt gázolajat többféle adalékkal látják el. Ezek feladata az égésjavítás, a folyékonyságjavítás és a füstöléscsökkentés. Égésjavító adalékként a propil-nitrátot használják. Alkalmazható még a metil-nitrát és az etilnitrát, de ezek tĦzveszélyességük és illékonyságuk miatt nem terjedtek el széles körben. A hazánkban forgalmazott gázolajok ilyen adalékanyagot nem tartalmaznak. A füstöléscsökkentĘ adalékokkal a nagy motorterhelések esetén tapasztalható fekete füst csökkentése érhetĘ el. A motor hidegindításával képzĘdĘ kékes füstre nincs hatással. A füstöléscsökkentĘ adalékok a koromszemcsék oxidációját gyorsítják, hatásmechanizmusuk más és más. Az elĘírások által megadott füsthatárokat adalék nélküli gázolajjal kell teljesíteniük, így a füstöléscsökkentĘ adalékok általános bevezetése megkérdĘjelezhetĘ. Az üzemeltetés szempontjából a legnagyobb jelentĘségĦ adalék a folyékonyságjavító adalék. Ezek az adalékok a dermedéspontot csökkentik, így a gázolaj a dermedéspont alatt szĦrhetĘ, adagolható és porlasztható. A folyékonyságjavító adalékok is csak bizonyos megadott arányban keverhetĘk a gázolajhoz. A gázolajban levĘ paraffinkristályok összeállásának megelĘzésével hatnak — miközben azokat mikroszkopikus arányokon belül tartják —, tehát csak a kristályosodás bekövetkezése elĘtt. Az adalékokat általában akkor alkalmazzák, amikor a tartályt feltöltik. A gázolaj szĦrĘ elĘtti melegítésével az adalék hatása nagymértékben növelhetĘ úgy, hogy a mĦködĘképes hĘmérséklete közelebb vihetĘ a dermedésponthoz. A dízelmotorok üzeméhez használt hazai gázolajok minĘségi követelményeit, jellemzĘit az MSZ 1627-86 foglalja össze.
3.3. A KERASZIN A repülĘpetróleumot a gázturbinás hajtómĦvek tüzelĘanyagaként alkalmazzák. A repülĘpetróleummal szemben támasztott fontosabb követelmények: 4 biztosítsa a hajtómĦ indítását mind a földön, mind a levegĘben, bármilyen idĘjárási viszonyok között; 4 legyen jól szivattyúzható a tüzelĘanyag-rendszerben különbözĘ hĘmérséklet és nyomásviszonyok között; 4 állandó, tökéletes égést biztosítson kellĘ égési sebességgel; 4 ne okozzon égési lerakódást a hajtómĦ alkatrészein;
17
4 4 4 4
ne okozzon korróziót; nagy kémiai- és fizikai stabilitása legyen; rendelkezzen kellĘen nagy égéshĘvel; tökéletes elégéséhez kevés levegĘt igényeljen. A repülĘpetróleumokkal szemben támasztott követelményeket a hajtómĦvek szerkezete és üzemeltetési körülménye szabja meg. A keraszint a kĘolaj atmoszférikus lepárlásából állítják elĘ.
3.4. ALTERNATÍV MOTORHAJTÓ TÜZELėANYAGOK Az energiatakarékosság és a világ olajtartalékai felhasználási ütemének lassítására, bizonyos vegyületeknek motorhajtó tüzelĘanyagként való alkalmazása iránt napjainkban megnĘtt az érdeklĘdés. Ezeket a vegyületeket többnyire benzinhez keverve 20 % koncentrációig vagy benzin helyett alkalmazzák. A hidrogénen és a propán-bután gázon kívül bizonyos oxigéntartalmú vegyületek kerültek elĘtérbe. Ezek közül leginkább használják az etanolt, a metanolt, a metil-tercier-butil-étert (MTBE) és a tercier-butil-alkoholt (TBA). Azokon a területeken, ahol az etanol bioanyagokból nyerhetĘ, természetesen alternatív tüzelĘanyagként ezt használják, míg a szén- vagy földgázalkalmazási területeken a metanolt és a MTBE-t. Példaként Brazíliában 1981 óta minden állami személygépkocsi 100 % etanollal üzemeltethetĘ, míg 1985-tĘl minden magángépkocsi 20%-os benzinetanol keverékkel üzemelhet. Néhány alternatív tüzelĘanyag lényeges motorikus jellemzĘit benzinnel összehasonlítva a 3.1. Táblázat tartalmazza. A hidrogén A hidrogén ásványi nyersanyagból (szén, kĘolaj, földgáz) vagy vízbĘl elektrolízissel nyerhetĘ. Az elektrolízissel való elĘállítása nagyon energiaigényes, ezért iparszerĦen kĘolajból állítják elĘ. A hidrogén és a levegĘ keveréke 4 ~ 76 %-os összetételben, tehát igen tág határok között képez éghetĘ keveréket. A hidrogénnel üzemelĘ motorok termikus hatásfoka ugyanolyan vagy jobb, mint a benzinnel üzemelĘké. A hidrogén belsĘégésĦ motorban vízzé ég el, és csak kevés nitrogén-oxid képzĘdik. A kipufogógázban található kis mennyiségĦ szénmonoxid és elégetlen szénhidrogének a kenĘolaj egy részének az elégésébĘl származnak. A hidrogén elĘállítási költsége — a jelenlegi elĘállítási technológiát és mennyiséget figyelembe véve — körülbelül a háromszorosa a benzin elĘállítási költségének. A hidrogén fĦtĘértéke meghaladja a benzin fĦtĘértékének a kétszeresét. A szuperbenzin fĦtĘértéke 44,4 MJkg-1, a hidrogéné 119,8 MJkg1 . A motor üzeme szempontjából a motorba bejutó tüzelĘanyag-levegĘ keverék fĦtĘértéke a lényeges, így sztöchiometrikus keverék esetén a benzin-levegĘ keverék 20%-kal elĘnyösebb. A hidrogén energiasĦrĦsége viszonylag nagy, 65 liter benzin energiatartalma 14 kg hidrogén energiatartalmával egyenértékĦ. A gond viszont az, hogy a 14 kg 20 °C-os, környezeti nyomású hidrogén 156 m3. E térfogat lényegesen csökkenthetĘ, ha a hidrogént 25 bar nyomásra sĦrítik. Viszont tárolására így is 1,2 t-s acélpalackra lenne szükség. Így a hidrogén tárolására a gépkocsiban a sĦrítésen kívül más megoldásokhoz kell folyamodni. Az egyik a hidrogén tárolása cseppfolyósan, atmoszferikus nyomáson, amihez jól szigetelt palackban -252,8 °C-ra kell lehĦteni. Ily módon energiasĦrĦsége 30%a a benzinének. Hátránya viszont ütközés esetén a robbanásveszély. A másik megoldás a hidridtank alkalmazása. A hidrogén atomjai beépülnek egyes fémek (lantán, nikkel, magnézium) kristályrácsaiba, így fémes hidrideket hoznak létre. HĘ hatására a hidrogén kiválik a hidridbĘl. Az égés megindításához szükséges energia hidrogén tüzelĘanyag esetén sokkal kisebb, mint benzin alkalmazásakor, mindössze 0,02 J. Emiatt igen gyakori a felületi gyújtás, a kopogásos égésre való hajlam. Ezért hidrogénüzemnél gondosan kell ügyelni a motor, különösen a kipufogószelep hĦtésére és általában az égéstér tisztaságára. Az említett gondok miatt szélesebb körĦ alkalmazása még várat magára. Propán-bután (PB-) gáz A PB-gáz lényeges elĘnye a többi gázüzemĦ tüzelĘanyaggal szemben, hogy 20 °C-on 4 ~ 10 bar nyomáson cseppfolyós állapotban tárolható. A nyomás a PB-gáz keverési arányától függ. A 4 bar nyomás sok bután {C4H10} esetén érvényes, sok propánnál {C3H8} pedig 10 bar. A PB-gázban a propánnak jobbak a motorikus tulajdonságai, oktánszáma 111. A benzinmotorok PB-üzemre való átállítása nem igényel lényeges változtatásokat. A dízel
18
motorok viszont csak lényeges átalakítás után válhatnak alkalmassá PB-üzemre. A befecskendezĘk helyére gyújtógyertyák kerülnek, az adagoló helyére pedig gyújtáselosztó. A motort ezen kívül el kell látni gáz-levegĘ keverĘ és elpárologtató, nyomáscsökkentĘ berendezéssel és az ezek mĦködtetéséhez szükséges szerelvényekkel. TüzelĘanyag
SĦrĦség 15 °C Kgm-3 Szuperbenzin 750 (100) PB gáz 540 (72) Etanol 789 (105) Metanol (8,5 % 780 izopentán) (104) Gázolaj 815 ~ 850
FĦtĘérték MJkg-1 44,4 (100) 46,5 (105) 26,8 (60) 21,98 (49) 41,9 (94)
FĦtĘérték MJ(m3N)-1 3,87 (100) 3,70 (96) 4,1 (106) 3,98 (103) —
Elméleti levegĘszükséglet 14,5 (100) 15,5 (107) 9,0 (62) 6,46 (45) 14,3 (99)
Párolgási hĘ kJkg-1 400 (100) 406 (102) 940 (235) 1040 (260) —
3.1. Táblázat. A benzin és az alternatív tüzelĘanyagok fĘbb jellemzĘi (zárójelben levĘ értékek relatív %-ban a szuperbenzinhez viszonyítva) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
A PB-gáz tüzelĘanyagként való alkalmazásának a következĘ elĘnyei vannak: fajlagosan olcsóbb a benzinnél; homogén tüzelĘanyag-levegĘ keveréket lehet elĘállítani, és így az egyes hengerek ellátása egyenletes; csökkenti a kipufogó gázok káros szennyezĘdéseit; az égés tökéletesebb, az égéstérben nem keletkeznek lerakódások, a kenĘolajat a henger faláról a keverék nem mossa le, az olaj nem hígul, csökken a kopás; a gyertyák és az olaj élettartama lényegesen megnĘ (duplájára, háromszorosára); javul a motor hidegindíthatósága; a gáz oktánszáma nagyobb a benzinénél, elmarad az ólom-tetraetil; az alapjárat és a gyorsulás jobbá válik; nincs szükség tüzelĘanyag szivattyúra. A PB-gáz alkalmazásának hátrányai: csökken a motor teljesítménye a benzinhez képest; a gáznak kisebb az energiasĦrĦsége a benzinhez képest (azonos tartályméret esetén gázzal az út csak 60-%-át lehet megtenni; hiányzik az infrastruktúra (töltĘállomások stb.); szigorúbbak a biztonságtechnikai elĘírások (a PB-gázzal mĦködĘ gépjármĦvek parkolási lehetĘségei korlátozottak), az átalakítás viszonylag költséges.
Az alkohol Motorhajtó tüzelĘanyagként az alkoholnak két fajtáját használják, egyik a metanol, más néven a metilalkohol; a másik az etanol, vagyis az etil-alkohol. 4 Metanol {CH3OH} Barna- és feketeszénbĘl, nehézgázolaj-maradékokból (pakurából), földgázból vagy szerves hulladékból (biomasszából) is elĘ lehet állítani. A tiszta metanol alkalmazása kedvezĘtlen motorikus és korróziós tulajdonságai miatt új konstrukciójú motort igényel. A metanolt tartalmazó benzinkeverék legfontosabb tulajdonságait a következĘkben foglaljuk össze. A keverék csak 0,01 ~ 0,2 térfogatszázalékban képes vizet felvenni. A keverék, ha teljesen vízmentes, akkor sem stabil. Így például 20 %-os keverék -20 és 0 °C között két rétegben szétválik. Ezt oldószerek használatával lehet megszüntetni. Metanol-benzin 15 %-os keverékének forráspontja viszonylag kicsi. Emiatt a keverék gĘzbuborék képzĘdésére hajlamos. Ha a gĘz folyadékaránya a 36 :
19
1 értéket eléri, a forráspont 50 °C alá kerül. Ezt a hĘmérsékletet a tápszivattyú és a karburátor nyáron eléri. A metanol kísérleti oktánszáma 120 és 160 között van, míg a motor oktánszáma 96-tól 113-ig terjed a keverék szénhidrogén-tartalmától függĘen. A keverék oktánszáma a benzinhez képest jobb, például 15 % metanol esetén 6 ~ 7 egységgel. A metanol kisebb (körülbelül a fele) fĦtĘértéke miatt a benzin-metanol keverék fĦtĘértéke a benzinénél kisebb lesz, ami többletfogyasztást okoz. Az 1 kg szuperbenzin égéséhez szükséges levegĘmennyiség — optimális égést feltételezve — 14,5 kg. 1 kg metanol elméleti levegĘszükséglete 6,46 kg; 15 %-os keverék esetén pedig 13,3 kg levegĘre van szükség. Ez azt jelenti, hogy a karburátort, illetve a befecskendezĘ szerkezetet úgy kell átállítani, hogy kevesebb levegĘt szállítson. Mivel a metanol jó kopogásgátló anyag, ezért metanolbenzin keverék használatakor az ólom-tetraetil-adalék elmaradhat. A metanolmotor jobb hatásfoka azzal magyarázható, hogy a metanol párolgási hĘje majdnem háromszorosa a benzinének. Így az égéstér falán és a kipufogó gázban kisebb a hĘveszteség, jobb a motor belsĘ hĦtése, ami jobb töltést biztosítva nagyobb teljesítményt eredményez. A metanol nagyobb párolgási hĘje hátrányt jelent hidegindításkor. A metanol hátránya még, hogy megtámadja a gépkocsi lakkozott felületét és bizonyos mĦanyag és gumi alkatrészeket. Dízelmotorok esetében a metanol kis cetánszáma miatt rossz öngyulladású, azért a metanolt gázolajjal gyújtják meg. A metanolt közvetlen befecskendezéssel juttatják az égéstérbe. A metanollal üzemelĘ motor a teljes üzemi tartományban korommentesen üzemel. A nitrogén-oxid kibocsátás a dízelmotorénak csupán egyharmada. 4 Etanol {C2H5CH} Tulajdonságai a metanolhoz hasonlóak. ElĘállítása viszont lényegesen különbözik az metanolétól. Az etanolt biomasszából állítják elĘ a napenergia segítségével. Az etanol elĘállításának csak a meleg égöv kedvez. Az etanolnak, mint tüzelĘanyagnak a legnagyobb kultusza Brazíliában van, itt cukornádból és maniókagyökérbĘl állítják elĘ. Az etanolt tüzelĘanyagként tisztán és 20 % etanol-benzin keverék formájában használják. A fajlagos fogyasztás csökkentését a sĦrítési arány növelésével érik el, így az etanolmotorok sĦrítési aránya 11,1, illetve 12,1. Az etanol nagy párolgási hĘje miatt a motor indítása + 15 °C hĘmérsékleten is csak benzinnel lehetséges. Ezért a karburátort úgy alakítják ki, hogy hidegben, hideg motornál az benzint szállítson. Keverékképzésre a korrózió és a költségek miatt kizárólag karburátort és nem befecskendezĘt alkalmaznak. A karburátor etanollal érintkezĘ felületeit nikkelréteggel látják el. Elégtelen gyulladási készsége és nagy párolgási hĘje miatt, az etanol használata dízelmotorok tüzelĘanyagaként kedvezĘtlen.
3.5. A TÜZELėANYAGOK SZĥRÉSE A dízelmotorok tüzelĘanyag-szĦrĘ rendszere a befecskendezĘ rendszer alkatrészeinek kis illesztési hézagai miatt összetettebb. A dízelmotorok tüzelĘanyag-szĦrĘ rendszere lényegesen eltér a benzinmotorokétól. A dízelmotorok tüzelĘanyag-szĦrĘi feladatuk szerint négy csoportra oszthatók:
4 4 4 4
elĘszĦrĘk; durvaszĦrĘk; finomszĦrĘk végszĦrĘk. Az elsĘ három csoportba tartozó szĦrĘk a tüzelĘanyag-táprendszer üzembiztonságát növelik, a finomszĦrĘ feladata a kopások csökkentése és a befecskendezĘ rendszer élettartamának növelése. Az elĘszĦrĘket a tüzelĘanyag-tartály töltĘnyílásába építik be, feladatuk a nagyméretĦ mechanikai szennyezĘdések felfogása, mert ezek a tüzelĘanyagba kerülve a csövek eldugulását okozhatják, és a tápszivattyút megrongálnák. A durvaszĦrĘ, amelyet a tápszivattyú után kötnek be, az 50 ~ 150 µm átmérĘjĦ szemcséket szĦri ki. Ezek a szemcsék nem okoznak kopásokat a befecskendezĘ rendszer elemein, viszont a forgódugattyú, a porlasztótĦ befeszülését vagy a porlasztófuratok dugulását idézhetik elĘ. A végszĦrĘt általában a befecskendezĘ berendezés elé helyezik el a rendszerben, és ezzel megakadályozzák, hogy a 40 ~ 100 µm méretĦ szemcsék a befecskendezĘbe jussanak. Ezek a
20
szemcsék a nyomócsövek szerelésekor, a finomszĦrĘbĘl leszakadva vagy a nyomócsĘ belsĘ felületérĘl leválva kerülhetnek a tüzelĘanyagba. A finomszĦrĘt az adagolószivattyú elé kötik be és a 10 µm-nél nagyobb szemcséket választja le. A finomszĦrĘ hatása a tüzelĘanyag-ellátó rendszer élettartamára a 3.2. Táblázatból látható. A szĦrĘbetét anyaga SzĦrĘ nélkül GyapotszövésĦ betét Filc szĦrĘbetét Papír szĦrĘbetét Speciális papír szĦrĘbetét
SzĦrési küszöb [µm] — 21 16 11 2,5
Relatív élettartam 1,0 1,5 2,1 3,6 9,1
3.2. Táblázat A dízelmotorok tüzelĘanyag-szĦrĘ rendszerének az a sajátossága, hogy a gázolaj áramlása a tápszivattyútól a befecskendezĘszivattyúig lüktetĘ. A gázolajszállítás lüktetĘ jellege a szĦrési folyamatot pozitívan befolyásolja. A tüzelĘanyag-szĦrĘk tervezésekor ezért a következĘ szempontokat kell figyelembe venni: a szĦrĘelem elĘtt megfelelĘ nagy teret kell kialakítani, amely a szĦrĘelem mellett vagy a szĦrĘ aljában alakítható ki. Ezt a teret ülepítĘtérnek nevezzük. Minél nagyobb az ülepítĘtér, annál jobb a hatása. Anyag- és tértakarékossági okokból az ülepítĘtér térfogatának felsĘ határa a szĦrĘ belsĘ terének 60 ~ 80%-a a finomszĦrĘknél, és 80 ~ 95 %-a durvaszĦrĘknél. Ahhoz, hogy az áramlás az ülepítéssel való kiválasztást ne zavarja, a gázolajszĦrĘbe a tüzelĘanyaghozzávezetést mindig a szĦrĘ felsĘ részén kell kialakítani. A szĦrési ellenállás fordítottan arányos a gázolaj viszkozitásával. Ahhoz, hogy a finomszĦrĘ ellenállását csökkentsük, célszerĦ a gázolaj elĘmelegítése. A gázolaj 30 ~ 40 °C-ra való felmelegítésekor a finomszĦrĘ ellenállása harmadára csökken. A kialakítás egyszerĦsítése érdekében a durva- és finomszĦrĘt közös egységben alakítják ki. A durvaszĦrĘ a szĦrĘbetét szerint különféle kialakítású lehet. A szĦrĘbetétek készülhetnek drótszitából, hézagolt lemez tárcsákból, drótszálakból, szalagokból, nemezbĘl, gyapotszövetbĘl stb. Szövetbetétes gázolaj-durvaszĦrĘt látunk a 3.1. ábrán. A 3.2. ábra fémtárcsás durvaszĦrĘ betétjének kialakítását szemlélteti. Az ilyen szĦrĘk szĦrési küszöbe általában 50 ~ 70 µm. A 3.3. ábrán egybeépített befecskendezĘ-porlasztó berendezés fémkerámia betétes végszĦrĘjét láthatjuk. A fémkerámia betétet 0,3 ~ 0,42 mm átmérĘjĦ rézgömbökbĘl sajtolással készítik, a szĦrési küszöb 40 ~ 80 µm. A szĦrĘ típusa DurvaszĦrĘ DurvaszĦrĘ VégszĦrĘ FinomszĦrĘ FinomszĦrĘ FinomszĦrĘ FinomszĦrĘ
SzĦrĘbetét anyaga Fémtárcsa Drótszál Fémkerámia Gyapot Nemez Vatta Papír
SzĦrési sebesség [cms-1] 3,54 — — 0,36 0,9 2,72 0,22
A szĦrés hatásfoka dsz <3 0 µm 0 0 0 94 ~ 97 80 ~ 85 99 75 ~ 80
A szĦrési küszöb [µm] 70 30 40 ~ 80 2,6 ~ 3,8 5,5 ~ 6,5 1,6 6,5 ~ 7,5
III. Táblázat SzĦrĘk jellemzĘi A finomszĦrĘk szĦrési küszöbe 2 ~ 2,5 µm (egyes szerzĘk szerint 6 ~ 7 µm), a szĦrés hatásfoka 98 ~ 99%. A szĦrĘbetéteket manapság majd minden esetben papírból készítik. Papír szĦrĘbetétek esetében a kérdés az, hogy hogyan kell hajtogatni a papírt ahhoz, hogy azonos külsĘ méretek mellett a szĦrĘ felülete minél nagyobb legyen. A 4. ábra vázlatosan néhány szĦrĘpapír-hajtogatási módot szemléltet. A III. Táblázat a különbözĘ szĦrĘk jellemzĘit foglalja össze. 21
SzĦrési sebességnek nevezzük az egységnyi szĦrĘfelületen idĘegység alatt áthaladó közeg térfogatát, mértékegysége a [ms-1]. A dízelmotorok tüzelĘanyag-szĦrĘ rendszerébe vízleválasztókat is alkalmaznak. Ezeket a tápszivattyú elé vagy a szĦrĘkbe építik be.
3.1. ábra SzĦrĘbetétes gázolajszĦrĘ 1 — rögzítĘ anya; 2;4;5 — tömítĘgyĦrĦ; 3 — szĦrĘfedél; 6 — összefogó csap; 7 — szĦrĘbetét; 8 — ház; 9 — szĦrĘbetét tömítĘ gyĦrĦje; 10 — rugó; 11 — zárócsavar; 12 — üledék leeresztĘ csap
3.2. ábra Gázolaj durvaszĦrĘ tárcsás szĦrĘbetét A nagyobb mechanikai szennyezĘdések leválasztására a benzinmotorok táprendszerébe hengeres, pohár alakú, általában átlátszó anyagból készült ülepítĘt és betétes szĦrĘt iktatnak. Az eredmények általában kielégítĘk, mivel a benzin viszkozitása kicsi, az ülepítés intenzívebb. A tüzelĘanyag-táprendszer különbözĘ pontjaiba (tartály, tápszivattyú, karburátor) szitaszĦrĘket (selyem, fém, mĦanyag) építenek be. Néha az ülepítĘpohárba (vízzsák) papír szĦrĘbetétet helyeznek el. Napjainkban egyre jobban terjednek a benzinmotorok tüzelĘanyag-ellátó rendszerében a tápszivattyú elé vagy után beépített vagy utólag beépíthetĘ betétes (általában papírbetétes) benzinszĦrĘk. Így a tüzelĘanyag-tartályból érkezĘ benzin egy 4 µm átlagos lyukméretĦ finomszĦrĘn áramlik át. A papír szĦrĘbetétet 35 000 ~ 40 000 km gépjármĦfutás után célszerĦ cserélni. Ezek a szĦrĘk adott beépítési irányúak, az átfolyás irányát a szĦrĘházon jelölik.
22
3.3. ábra Fémkerámia szĦrĘ
3.4. ábra SzĦrĘpapír hajtogatási módok
23
4. MOTOROLAJOK 4.1. A MOTOROLAJOKKAL SZEMBEN TÁMASZTOTT KÖVETELMÉNYEK A motorolajnak a következĘ követelményeket kell kielégítenie: 4 hĦtsön, vagyis a kent felületekrĘl a hĘt vezesse el; 4 kenjen, az egymáshoz képest elmozduló alkatrészek súrlódását és kopását csökkentse; 4 az egymással érintkezĘ felületeket védje meg a korróziótól; 4 párnázzon, a súrlódó felületek közötti rést megfelelĘen töltse ki; 4 káros hatásokat ne idézzen elĘ; 4 az égésbĘl származó részecskéket, kopásrészeket lebegĘ állapotban kell tartania; 4 az olajjal érintkezĘ felületeket tisztán tartsa, a hĘátadást rontó olajkoksz- és lakklerakódásokat csökkentse; 4 az iszaplerakódást akadályozza meg; 4 hidegben a könnyĦ, gyors indítást tegye lehetĘvé; 4 hosszú élettartama legyen, a karbantartás gyakoriságát csökkentse; 4 a teljes üzem idĘtartama alatt kémiailag stabil legyen. E követelmények kielégítéséhez a motorolajoknak a következĘ tulajdonságokkal kell rendelkezniük: 4 megfelelĘ viszkozitás; 4 nagy viszkozitási index; 4 jó kenĘképesség; 4 lassú öregedés; 4 jó tisztítóképesség; 4 korróziót ne okozzanak; 4 a maró anyagokat közömbösítsék; 4 kis dermedéspont; 4 üledékmentesség; 4 mechanikai szennyezĘket ne tartalmazzanak.
4.2. A VISZKOZITÁS A motorolajok egyik legfontosabb jellemzĘje a viszkozitásuk. A dinamikai viszkozitás az az erĘ, amely két egymástól egységnyi távolságra fekvĘ, egységnyi felületĦ rétegnek egymáshoz képest egységnyi sebességgel való elmozdításához szükséges. Jelölése µ, mértékegysége a Pas (Pascal szekundum). A mĦszaki mértékrendszerbeli mértékegysége a poise, P (poáz), átszámítása: 1 P = 0,1 Pas; A kinematikai viszkozitás, a dinamikai viszkozitás és az ugyanazon a hĘmérsékleten mért sĦrĦség hányadosa, jelölése Ȟ, mértékegysége korábban a stokes (St) (kiejtése: sztok), az SI mértékegységrendszerben egysége a m2s-1, az átszámítás: 1 St = 10-4 m2s-1. A négyütemĦ motorok belsĘ veszteségeit jelentĘs mértékben befolyásolja az olaj minĘsége. Példaként csak a viszkozitást vizsgálva, annak 9,1 %-os csökkentése a belsĘ veszteségre fordított energiafelhasználást 9%-kal csökkenti. A viszkozitás hĘmérsékletfüggését — amely a motorok üzemében jelentĘs tulajdonság — tapasztalati számmal adják meg, amelyet viszkozitási indexnek neveznek (jele: V. I.). Kis viszkozitású indexĦek azok az olajok, amelyeknek viszkozitása nagymértékben, nagy viszkozitási indexĦek pedig azok, amelyeknek viszkozitása kismértékben változik a hĘmérséklettel.
4.3. A STABILITÁS A motorolajok másik jelentĘs tulajdonsága a stabilitás. Üzem közben a motorolajat sokféle hatás éri, például nagy hĘmérséklet, a levegĘ oxigénje, por, nedvesség, a tüzelĘanyagból származó
24
égéstermékek, különbözĘ kémiai hatások, amelyeket az olajjal érintkezĘ fémek is katalizálhatnak. Ezeknek a hatásoknak kitett olajok öregszenek, bizonyos használati idĘ után megváltoznak tulajdonságaik. A motorolaj stabilitását az alapolaj minĘsége és az adalékolás határozza meg. Napjainkban, gépjármĦmotorokban kizárólag adalékolt olajakat alkalmaznak. A motorolajok stabilitása szempontjából a hĘmérséklet hatása jelentĘs, így például 1 °C hĘmérséklet-növekedés, az olaj oxidációját megkétszerezi. A stabilitási tulajdonságokat motorfékpadon, a valóságos viszonyokat megközelítĘ módszerekkel határozzák meg.
4.4. ADALÉKOK A szénhidrogén-motorolajok egymagukban nem tudnak eleget tenni a korszerĦ motorolajakkal szemben támasztott követelményeknek. Ezért napjainkban minden motorolaj erĘsen adalékolt, tehát olyan, az alapolajhoz kevert vegyületeket tartalmaz, amelyek az alapolaj jó tulajdonságait megtartva, azokat kiegészítik, javítják. A motorolajok adalékai a következĘ fĘ csoportokba sorolhatók: 4 oxidációgátlók (inhibitorok); Az oxidációgátló adalékok (inhibitorok) funkciója a motorolaj termooxidációval szembeni ellenálló képességének, stabilitásának a biztosítása. Több oxidációgátló adalék létezik, vannak nagy hĘmérsékletĦ inhibitorok, de léteznek katalizátorral reagáló inhibitorok is. 4 viszkozitásmódosítók; A viszkozitásmódosító adalékok minden hĘmérsékleten növelik a kenĘolaj viszkozitását. Funkciójuk a viszkozitási index növelése. 4 dermedéspont-csökkentĘk; A dermedéspont-csökkentĘ adalékok a motor hidegindítását könnyítik meg. 4 detergens diszpergálók; A detergens diszpergens adalékok feladata az olajjal érintkezĘ felületek tisztántartása, a képzĘdĘ üledék, korom-, koksz-, lakk- stb. lerakódások képzĘdésének megakadályozása. Ezek az adalékok motortípustól függĘek. Más adalék kell a dízelmotor olajába és más a benzinmotor olajába. Ezek az adalékok általában bázisos és szuperbázisos detergensek. 4 korroziógátlók; A korróziógátló adalékok alkalmazását az olajba kerülĘ savas vegyületek és a víznek a megjelenése indokolja. Ezek általában bázisos korróziós inhibitorok. 4 kenési tulajdonságot javítók; A kenési tulajdonságokat javító adalékok a motor súrlódó alkatrészeinek kopását csökkentik, ami az adalék által létrehozott felületi réteg (határfilm) révén érhetĘ el. Ezek az adalékok a fémfelülettel reagálva megfelelĘ felületet alkotnak. MegjegyzendĘ, hogy ezek a kenési tulajdonságokat javító adalékok nem a kereskedelemben kapható, utólagosan a motorba töltendĘ adalékok, hanem a kenĘanyaggyártók által a kész olajba már bekevert adalékok. Az utólagosan olajba kerülĘ kenésjavító adalékok többségének használata mĦszakilag nem mindig átgondolt és megalapozott, többnyire csak üzleti fogás. A célnak legjobban megfelelĘ kész olajok kaphatók a kereskedelemben. 4 hordozóképességet javítók; A hordozóképességet javító adalékoknak fĘleg a motorok indítása és leállása, illetve lassítása közben, a csapágyak félszáraz súrlódási állapotában van jelentĘs szerepe. Ezek az adalékok poláros, a fémfelülethez erĘsen tapadó szerves vegyületeket tartalmaznak. 4 kopásgátlók, filmszilárdságot javítók, EP adalékok és habzásgátlók. KenĘképesség-növelĘ adalékok, nagy nyomásállók (EP — Extreme Pressure). A nagy nyomásálló olajok is innen kapták az EP olaj elnevezést. A habzásgátló adalékok a motor mĦködésére nézve káros
25
olajhabosodást hivatottak gátolni.
4.5. A MOTOROLAJOK OSZTÁLYOZÁSA A motorolajokat a viszkozitás és a teljesítményszint alapján osztályozzák. A viszkozitás szerinti osztályozás keretében nemzetközileg az SAE (Society of Automotive Engineers — az amerikai Autómérnökök Egyesülete) szerinti viszkozitási osztályozás terjedt el. Ebben a csoportosításban az olaj viszkozitását 210 °F-en (98,9 °C) vagy 0 °F-en (- 17,8 °C) írják elĘ. Hátránya, hogy osztályainak jelölése önkényes, nem ad felvilágosítást az osztályba tartozó olajok viszkozitására. Az SAE szerinti osztályozást a viszkozitás alapján a 4.1. Táblázat tartalmazza. A különbözĘ SAE viszkozitás-csoportú olajok alkalmazhatósági határait pedig a 4.2. Táblázat. SAE viszkozitási osztály 5W 10W 15W 20W 20 30 40 50
Viszkozitás -17,8 °C-on [Pas] Legalább Legfeljebb — 1,2 1,2 2,4 2,4 4,8 2,4 9,6 — — — — — — — —
98,9 °C-on [Pas] Legalább Legfeljebb 3,9 — 3,9 — 3,9 — 3,9 — 5,7 9,6 9,6 12,9 12,9 16,8 16,8 22,7
4.1. Táblázat. Motorolajok viszkozitás szerinti osztályozási rendszere SAE viszkozitási osztály SAE 10 W SAE 15 W SAE 20 W SAE 30 W SAE 40 W SAE 50 W
Környezeti hĘmérséklet, °C - 25... + 5 -20...+5 - 10... + 15 0...+25 + 10...+25 +15...+50
4.2. Táblázat SAE jelölésĦ olajok alkalmazhatóságának külsĘ hĘmérséklettartománya A W jelzésĦ (Winter) motorolajok viszkozitását kisebb hĘmérsékletre vonatkozóan írják elĘ, ezek az úgynevezett téli olajok. Napjainkban már olyan olajokat is gyártanak, amelyek egyszerre több fokozat elĘírásait is kielégítik, és így több évszakban, illetve nagy hĘingadozású motorokhoz is használhatók. Ezek az úgynevezett többfokozatú (multigrade) olajok. Jelzésük mindkét fokozat megadásával történik, például 20 W/50. Az SAE szerinti osztályba sorolt egy- és több fokozatú olajok viszkozitásának változását a hĘmérséklet függvényében a 4.1. ábra szemlélteti. A motorolajok jellemzésére a viszkozitás mellett a motorikus értékeléssel megállapított teljesítményszintet kell megadni. A teljesítményszint meghatározza az olajjal elérhetĘ motortisztaságot, a hidegindító képességet, a motorhangot, az elérhetĘ olajnyomást, valamint a motor üzemi jellemzĘiket. A teljesítmény fékpadi vizsgálatok szerint, az olajok különbözĘ teljesítményszintjelölést kapnak.
26
4.1. ábra Egy- és többfokozatú motorolajok viszkozitása a hĘmérséklet függvényében
27
5. A NÉGYÜTEMĥ BENZINMOTOR MĥKÖDÉSE, VEZÉRLÉSI DIAGRAMJA 5.1. NÉGYÜTEMĥ BENZINMOTOR MĥKÖDÉSE A négyütemĦ benzinmotor mĦködésének egyes ütemeit az 1. ábra szemlélteti.
1. ábra 1 – benzin; 2 – szívószelep; 3 – gyújtógyertya; 4 – kipufogószelep; 5 – kipufogógáz; 6 – porlasztó; 7 – levegĘ. 1. ütem: szívás A szívóütem célja, hogy a henger megteljen benzingĘz-levegĘ keverék töltettel. A szelepek nyitási és zárási helyzeteit a holtponthoz viszonyítva lökethossz %-ában, vagy a forgattyús-tengely elfordulási szögében adjuk meg. A szelepek szerkezeti okokból aránylag lassan nyitnak és zárnak. Ha a szívószelep csak a dugattyú felsĘ holtponti helyzetében nyitna, akkor a szívóütem kezdetén még szĦk szelepnyílás a töltet beszívását fékezné, így a henger töltése romlana. Ezért a nagy fordulatszámú motorok szívószelepe a kipufogóütem vége felé, a dugattyú felsĘ holtponti helyzete elĘtt általában 1~3 %-al (5~10°-kal) nyílik. A szívószelep záródási idejét is úgy kell megválasztani, hogy a henger lehetĘ legnagyobb töltését érjük el. A szívás ütemében a motor hengerében erĘs nyomáscsökkenés tapasztalható, ennek következtében a töltet viszonylag nagy (30~40 ms-1) sebességgel áramlik a hengerbe. Ha a szívószelep az alsó holtponti helyzetben zárna, a még nagy sebességgel beömlĘ keverék további beömlését akadályozná meg, ezért csak akkor kell záródnia, amikor a felfelé haladó dugattyú a légritkulást megszünteti, és a keverék még éppen nem áramlik visszafelé. A nagy fordulatszámmal járó motorok szívószelepe 15~20 löketszázalékkal (35~45°-kal) záródik a dugattyú alsó holtponti helyzete után. A töltés nagyságát a szívószelep és a szívócsĘ méretei is befolyásolják. A fordulatszám növekedésével ugyanis annál jobban romlik a henger töltése, minél kisebb a szívószelep és szívócsĘ keresztmetszete. A töltés növelésére a motorok szívószelepeit és csövét bĘ keresztmetszetĦre készítik, belsĘ felületüket pedig úgy alakítják ki, hogy a beszívott keverék áramlását ne akadályozzák. Az elĘzĘ ütembĘl visszamaradt égéstermék és a meleg hengerfal a keveréket felmelegíti, annak térfogata ez által megnövekszik. Így a hengerbe kisebb mennyiségĦ keverék jut, mint amennyi beleférne. A négyütemĦ motorok maximális töltése a hengertérfogat 75~80 %-a, amely a maximális fordulatszámon körülbelül 15~25 %-kal csökken. Egyes konstrukciók esetén a jobb töltés elérésére két szívó- és két kipufogószelepet alkalmazunk. A töltet valóságos mennyiségére jellemzĘ a töltési fok:
Ot
mf
(5.1)
me
ahol: — mf
a friss töltet tömege, ami a motor által beszívott levegĘ mk tömege, csökkentve az 28
mö öblítési veszteséggel:
mf
m k mö
me
—
(5.2)
elméleti töltet, azaz a lökettérfogattal azonos térfogatú, normál állapotú, adott környezetnek vagy szívócsĘviszonyoknak megfelelĘ töltet tömege.
A nyomásesés benzinmotor levegĘszĦrĘjében és szívóvezetékében 1,5~2,5 kPa. A porlasztóban nyitott pillangószelepnél további 8~12 kPa nyomáscsökkenés tapasztalható. Benzinbefecskendezéses motornál az ennek megfelelĘ érték kisebb, 2~4 kPa. Ezek eredĘjeként a benzinmotor szívócsövében a szívóütem végén karburátoros motornál 9,5~14,5 kPa-lal, benzinbefecskendezéses motornál 3,5~6,5 kPa-lal kisebb a környezeti levegĘnyomásnál. A szívóütem végére a szívóvezetéktĘl és a hengerfalaktól a töltet felmelegszik. Ha a szívó és a kipufogó-szelepcsatorna azonos oldalon van 20~30 K, ha a két csatorna ellenkezĘ oldalon van, 15~25 K a töltet felmelegedése. A maradék gázokkal való keveredés is felmelegíti a töltetet. A maradék gázok a friss töltet 3~5 %-át alkotják. Nagyobb sĦrítési arány esetén a maradék gázok mennyisége kevesebb. A maradék gázok hĘmérséklete 700~900 K. Feltöltéses motorokban a nagyobb átöblítés miatt a maradék gázok hányada kisebb. Ha a töltĘlevegĘ hĦtĘn megy keresztül, a hĦtĘn a nyomásesés legfeljebb 15~25 kPa, a hĘmérsékletcsökkenés 40~50 K. 2. ütem: sĦrítés (kompresszió) A dugattyú a felsĘ holtpont felé halad, és a beszívott töltetet összesĦríti. Eközben mindegyik szelep zárva van. A sĦrítés következtében a hengerben a nyomás és a hĘmérséklet emelkedik. A sĦrítés végén a keveréket villamos szikra gyújtja meg, amelynek hatására elég. A tüzelĘanyag-levegĘ keverék csak addig sĦríthetĘ össze, amíg a sĦrítés közben a keverék hĘmérséklete el nem éri az öngyulladási hĘmérsékletet. 4 A sĦrítés A sĦrítés kezdetén a töltet hĘmérséklete nagyobb, mint a környezeti vagy a szívóvezetékben uralkodó hĘmérséklet. A beáramló tüzelĘanyag-levegĘ keverék részben a meleg hengerfalak és szelepek hatására, részben a maradék gázokkal való keveredés következtében melegszik fel. A felmelegedés kb. 30~50 °C. Az áramlási ellenállások miatt a hengerben levĘ töltet nyomása viszont kisebb, mint a szívóvezetékben levĘ nyomás. A melegedés és a fojtások következtében a töltet mennyisége (normál motorüzem esetén) 10~20%-kal kevesebb, mint a motor lökettérfogatának elméletileg megfelelĘ érték. Ha a sĦrítés adiabatikusnak feltételezett folyamatát a valódi sĦrítéssel összehasonlítjuk, azt tapasztalhatjuk, hogy a hengerfal és a töltet közötti hĘcsere lényeges eltérést okoz. A pv n1 állandó (5.3) általános hĘtani egyenlet alapján a sĦrítés kezdeti és végállapotából mérés alapján meghatározott átlagos n1 politrópikus kitevĘ többnyire kisebb, mint a ț adiabatikus kitevĘ (hĦtött kompresszió). A valóságos sĦrítési folyamatban az n1 kitevĘ értéke a dugattyú minden helyzetében más és más, és csak egy pillanatban (amikor a töltet hĘmérséklete éppen azonos a hengerfal hĘmérsékletével) egyenlĘ a politrópikus kitevĘvel. Az n1 politrópikus kitevĘ értéke 1,32~1,39 közé esik. Kísérletek eredményei azt mutatják, hogy az adott határokon belül nagyobb fordulatszámhoz nagyobb, kisebb fordulatszámhoz kisebb politrópikus kitevĘ tartozik. Általában 1000 min-1 fordulatszámváltozásra a politropikus kitevĘ értékének 0,01~0,02 értékĦ változása tapasztalható. A volumetrikus veszteségek nagyon függenek a hengerfal és a gyĦrĦk kivitelétĘl, állapotától és a sĦrítési aránytól.
29
5.2a. ábra A méréssel megállapított és az adiabatikus sĦrítési végnyomás változása a fordulatszám függvényében (İ=13)
5.2b. ábra SĦrítési végnyomások a sĦrítési arány függvényében Nagyobb sĦrítési arány esetén a fal és a töltet közötti hĘcsere intenzívebb a nagyobb hĘmérséklet-különbségek miatt. KülsĘ hajtású motoron mért értékek és az izentrópikus számításból adódó értékek vethetĘk össze az 5.2. ábra segítségével. Az ábra kissé eltúlozva mutatja a jelenséget, mivel a külsĘ hajtású motor hengerfalai hidegebbek, mint az üzemelĘ motor hengerfalai. A hengerfal és a töltet közötti hĘcsere osztatlan égésterĦ motorok esetében kisebb, mert kisebb az égéstér hĦtött felülete. 4
A gyújtás
A benzinmotorok a külsĘ gyújtású motorok csoportjába sorolhatók. A külsĘ gyújtás néhány kivételtĘl (például izzófejes gyújtás) eltekintve, az esetek túlnyomó többségében szikragyújtást jelent. A gyújtószikra létrehozásához szükséges 17 000~24 000 V feszültséget hagyományos esetben a transzformálás elvének felhasználásával, mint szekunder feszültséget állítják elĘ. Az elektronika fejlĘdése tette lehetĘvé a kondenzátoros (vagy tirisztoros) gyújtás létrejöttét. Ennél a gyújtáshoz szükséges energia mágneses mezĘ helyett kondenzátor villamos erĘtere formájában van felhalmozva. A gyújtás a feltöltött kondenzátor kisütésekor jön létre. A gyújtószikra energiája fontos jellemzĘ, mert lényeges hatással van a benzin-levegĘ töltet égési sebességére. Az égés indításához viszonylag nagy hĘmérsékletre van szükség, vagyis megfelelĘ nagyságú energiasĦrĦség szükséges ahhoz, hogy az 1,05~1,35 közötti légviszonyú, kevésbé gyulladóképes keveréket biztonsággal meggyújtsa. A hengerben levĘ benzin-levegĘ keverék általában nem homogén, hanem a szegényebb és a gyulladásra hajlamosabb, dúsabb keverékek örvénylĘ mozgást végeznek.
30
Ezért a keverék meggyulladásának nagyobb a valószínĦsége, ha a gyújtószikra idĘtartama kielégítĘ hosszúságú. Viszonylag szegény keverék meggyújtásának tehát az a feltétele, hogy a gyertyaelektródák közötti keverékmennyiség megfelelĘ nagyságú szikrateljesítményt kapjon, és ez a teljesítmény egy minimális forgattyútengely-elfordulás idĘtartamában fennmaradjon. A gyújtógyertya elektródái közötti feszültség és a köztük folyó villamos áram meghatározzák a szikrateljesítmény idĘbeli lefolyását. A gyújtószikra áramát a gyújtóberendezés villamos felépítése szabja meg, a szikrafeszültség ezen kívül a gyertyaelektródák geometriai méreteitĘl, az égéstérben levĘ nyomástól és a hĘmérséklettĘl is függ. A szikra idĘtartamát és áramerĘsségét motorikus körülmények között vizsgálva az tapasztalható, hogy az 1,05~1,35 légviszony-tartományban a szikra áramerĘsségének növelése a gyulladásra kedvezĘ hatással van, a szikra idĘtartamának azonban nincs a motorüzemre észrevehetĘ hatása. A szikraáram növelése a keveréknek átadott energiát megnöveli, és az ebbĘl adódó intenzívebb gyújtás a stabil motorüzem tartományát kiterjeszti a nagyobb légviszonyok irányába, csökkenti a motor fajlagos fogyasztását és a fogyasztás-optimum is a nagyobb légviszonyok felé tolódik el. A gyakorlati motorüzemben nem engedhetĘ meg, hogy a szikraelektródák közelében kevésbé gyulladóképes, a gyulladási határ közelében levĘ összetételĦ benzin-levegĘ keverék legyen, mert ez esetben ebben a térben a lángfront haladási sebessége túl kicsi lenne. Több szikrának jól gyulladóképes keverék esetén nincs lényeges hatása a gyújtási folyamatra és az égés kezdeti sebességére. Más a helyzet szegény keverék esetében. A hengeren belüli keverék — mint már említettük — nem egyenletes összetételĦ. Dús keverék esetén ezeknek az egyenlĘtlenségeknek a gyulladási és az égési folyamatra nincs hatásuk, mert a gyertyaelektródákat mindig gyulladásra hajlamos keverék veszi körül. Ha azonban az átlagos keverék-összetétel a hengerben szegény, nagyobb a valószínĦsége annak, hogy az elektródáknál levĘ keverék nehezen vagy egyáltalán nem gyulladóképes. Több szikra esetén nagyobb annak a valószínĦsége, hogy valamelyik szikra a gyulladási és égési feltételek szempontjából kedvezĘbb feltételekre talál. Ennek a következménye, hogy az egynél kisebb légviszony-tartományban, több szikrát adó gyújtással a tüzelĘanyag-fogyasztás kedvezĘbben alakul. A több szikra hatására a motor járása is egyenletesebbé válik. Többszikrás gyújtás esetében lényeges az egyes kisülések idĘtartama is. Ha az elĘzĘ szikra még nem aludt ki, akkor a szikraköz ionizációja miatt a következĘ szikra kisebb energiájú lesz, és a kisebb energiaközlés miatt nem éri el a kívánt gyújtóhatást. Természetesen a szikráknak az optimális elĘgyújtás intervallumába kell esniük. A többszikrás gyújtás létrehozható a hagyományos gyújtásrendszer elemeivel is (például két vagy több primer tekercs egy szekunder tekercsben egymás után indukál feszültséget), de erre a célra elsĘsorban a kondenzátoros gyújtás alkalmas. A gyújtás idĘpontját, az elĘgyújtást úgy kell megválasztani, hogy a motor üzemi feltételeinek (fordulatszám, légviszony, a töltet nyomása és hĘmérséklete) megfeleljen. A motor fogyasztása akkor kedvezĘ, ha az égésfolyamat túlnyomórészt a felsĘ holtpont közelében játszódik le. Mivel az égés sebessége véges — és a gyulladást közvetlenül követĘ idĘszakban kicsi —, a gyújtásnak jóval a felsĘ holtpont elĘtt kell bekövetkeznie, a motor üzemmódjától függĘen 5~30°-kal a felsĘ holtpont elĘtt, forgattyútengely-elfordulásban mérve. 4
Az égés folyamata
A keverék gyulladása után a lángfront a gyújtógyertyától kiindulva a 20~30 ms-1 átlagos sebességgel terjed. Az égési sebesség benzinmotorokban függ a légviszony nagyságától. A motorok égésterében akkor a legnagyobb az égési sebesség, ha az égés dús keverékben, körülbelül 0,85-s légviszonynál megy végbe (5.3. ábra). Az a tény, hogy a dús keverék kedvezĘ üzemeltetési tulajdonságokat (jó gyorsulás, lágy járás) eredményez, a nagy égési sebességekre vezethetĘ vissza. A túl szegény keverékkel tapasztalható egyenlĘtlen motorjárást viszont az igen lecsökkent égési sebességek okozzák. A szegény keverék kisebb sebességĦ égése a nyomáscsúcs késĘbbre tolódását és egyidejĦ csökkenését okozza. Ezek következtében a motor jósági foka romlik. A romlás mértéke csökkenthetĘ a gyújtás idĘpontjának korábbra helyezésével, azaz nagyobb elĘgyújtással. A keverék szegényítésével együttjáró jóságifok-csökkenés csak 10~20 %-osnál nagyobb levegĘ-felesleg értékeknél okoz fajlagos 31
fogyasztásnövekedést, ennél kisebb légfeleslegeknél a munkafolyamat termodinamikai javulásának hatása nagyobb, mint a jósági fok romlása.
5.3. ábra Hasonló jelenségek figyelhetĘk meg akkor is, ha az égési sebesség nem a keverékarány változtatása, hanem egyéb okok (például más tüzelĘanyag, kisebb örvénylés az égéstérben stb.) miatt változik. A benzinmotor gyújtási idĘpontját úgy célszerĦ megválasztani, hogy az égési folyamat 15~20°kal a felsĘ holtpont után befejezĘdjék. A vizsgálatok jó egyezéssel azt mutatják, hogy az a forgattyúszög, amelynél az égés befejezĘdik, különbözĘ fordulatszámoknál csak kevéssé változik akkor, ha az elĘgyújtás értéke állandó. EbbĘl az a következtetés vonható le, hogy az égési sebesség függ a fordulatszámtól, mégpedig elsĘ közelítésben egyenesen arányban. Így az égés idĘtartama körülbelül fordítva arányos a fordulatszámmal. Az is kimutatható, hogy az égés befejezéséhez tartozó forgattyúszög elsĘsorban a gyújtás idĘpontjától függ, mégpedig úgy, hogy az elĘgyújtás változtatása lényegében azonos mértékben változtatja az égés befejezéséhez tartozó szöghelyzetet. Függ az égési sebesség a nyomástól és a hĘmérséklettĘl is, de ez a hagyományos tüzelĘanyagoknál kisebb jelentĘségĦ. Benzinmotorok üzemében a detonációs égés a rendellenes égésfolyamatok közül a legfontosabb, mert ez határolja adott lökettérfogatú és fordulatszámú motor legnagyobb teljesítményét és a motor hatásfokának nagyságát. Túl nagy sĦrítési arány, túlzott mértékĦ feltöltés, a töltĘlevegĘ túl nagy hĘmérséklete, vagy nem megfelelĘ kompressziótĦrésĦ tüzelĘanyag esetén a motor járása jellegzetesen kemény lesz, amely erĘs kopogó vagy csilingelĘ hangként jelentkezik. A detonációs égést kísérĘ hangjelenségek oka a benzinlevegĘ keverék még le nem égett hányadának nagyon gyors égése, az ezzel járó gyors nyomásnövekedés és a nyomáshullámok visszaverĘdése a henger faláról. Míg normál égésnél a lángfront haladási sebessége néhányszor 10 ms-1, detonációs égésnél 300~1000 ms-1, sĘt 1500 ms-1 égési sebességet feltételeznek. Mivel detonációs égésnél a még el nem égett keverék nagyon rövid idĘ alatt ég el, ez helyileg meggyorsítja a nyomás- és hĘmérséklet-növekedés sebességét. Ennek ellenére a henger közepes nyomása és hĘmérséklete nem változik lényegesen. Megnövekszik a hĘátadás az égésteret határoló falaknál, ami a motor túlmelegedését okozhatja és egyes esetekben a dugattyú is átéghet. A helyi gyors nyomásnövekedés és az ezáltal létrehozott nyomáshullámok a forgattyús mechanizmus mechanikai igénybevételét is növelik. A detonációs égésre való hajlam leginkább a sĦrítési arány növelésére érzékeny. Kevésbé érzékeny a beszívott levegĘ nyomásának és hĘmérsékletének növelésére. A detonációs hajlamot ezenkívül befolyásolja az elĘgyújtás, a légviszony, a fordulatszám és az égéstér kialakulása. A detonációs égés megakadályozásának két alapvetĘ módja: 4 kompressziótĦrĘ tüzelĘanyagok alkalmazása; 32
4
olyan konstrukciós kialakítások, amelyek megnehezítik az öngyulladás kialakulását a lángfront elĘtti térben.
Az öngyulladás létrejöttéhez a nagy nyomáson és hĘmérsékleten kívül, bizonyos indukciós periódusra is szükség van. Ha a lángfront rövidebb idĘ alatt ér végig az égéstéren, mint ez az indukciós idĘ, akkor nem jöhet létre öngyulladás. Ezért csökkenti a detonációs égésre való hajlamot a fordulatszám növelése, a gyújtógyertya és az égéstér legtávolabbi pontja közötti távolság csökkentése és a lángfront sebességének növelése a keverék örvénylésének fokozásával. Ezzel kapcsolatos az a tény is, hogy a hengerátmérĘ növelésével nagyobb a benzin kompressziótĦrésével kapcsolatosan támasztott igény. Ennek elsĘsorban az az oka, hogy nagyobb hengerben a lángfront útja hosszabb, és így az égés ideje is nagyobb illetve nagyobb a valószínĦsége annak, hogy nagy összefüggĘ térfogatban jöjjön létre öngyulladás.
1 2 3 4
— — — —
5.4a. ábra Különféle kialakítású égésterek oktánszám-követelménye félgömb alakú — c; háztetĘ alakú — b; oldalt szelepelt; kád alakú — a.
5.4b. ábra A félgömb és háztetĘ alakú égéstérben a dugattyú felsĘ holtpont felé történĘ haladásakor nem jön létre olyan intenzív örvénylés, mint az oldalt szelepelt és a kád alakú égéstérben. Ennek negatív hatása egyes esetekben nagyobb lehet, mint a lángfrontút rövidülésének pozitív hatása. A motor élettartama során az égéstér falára korom rakódik le, ami elĘsegíti a detonációs égést. Ezért az üzemidĘ függvényében az oktánszámigény a koromlerakódás mértékének megfelelĘen nĘ. A 33
sĦrítési arány növelése (İ > 10) további rendellenességeket okoz az égésben. A detonációs égés után leggyakrabban az égéstérben levĘ lerakódások izzó felülete okozta öngyulladás fordul elĘ. A motor jellegzetes kisfrekvenciás kísérĘ hangja miatt ezt a rendellenes égést az angolszász szakirodalom rumble-nek (magyarul dörgés, morajlás) nevezi. A lerakódások a tüzelĘanyag ólomtetraetil tartalmából, a tüzelĘanyag elégetlen hányadából és az égéstérbe került motorolajból képzĘdnek. JellemzĘ erre a rendellenes égésre a gyors nyomásnövekedés, a csúcsnyomás megnövekedése és eltolódása a felsĘ holtpont tájára A lángfront-vizsgálatokról készült rajzokon (5.5. ábra) is jól látható az égés gyorsabb lefutása és az ábra bal oldalán gyulladást kiváltó felület. Az izzó lerakódások okozta öngyulladás 20%-os teljesítmény csökkenést is okozhat. A már említett kisfrekvenciás kísérĘ hang frekvenciatartománya 700~1400 Hz. Az égésnek ez a rendellenessége a forgattyútengely hajlító lengéseit gerjesztheti.
5.5. ábra Lángfront-felvételekrĘl készült vázlat a) normálégés; b) izzó lerakódás okozta öngyulladás esetén; Gy – gyújtógyertya; Sz – szívószelep; K – kipufogószelep; a szögértékek a gyújtószikra átugrásától mért forgattyútengely-elfordulás szögei Ellentétben a detonációs égéssel, az izzó lerakódások okozta öngyulladás a legnagyobb teljesítménnyel üzemelĘ motornál — tehát nagy motorfordulatszámoknál — jön létre, különösen akkor, ha a beszívott levegĘ nyomása nagy, és a gyújtásbeállítás optimális. Leghajlamosabb a motor izzó lerakódások okozta öngyulladásra a 0,9-s légviszony környékén, ennél dúsabb vagy szegényebb keverék esetén az öngyulladási hajlam csökken. Az égéstér kialakítása csak lényegtelenül befolyásolja az izzó lerakódások okozta öngyulladás kialakulását. Kellemetlen következményt okozó égési rendellenesség a korai gyulladás. Ezt az égéstér túlmelegedett fémes felületei okozzák. Különösen többhengeres motoroknál okozhat súlyos meghibásodásokat, ha az üzemeltetĘ nem veszi észre, hogy egy vagy két égéstérben korai gyulladás van. Természetesen jelentĘs teljesítménycsökkenést okoz a korai gyulladás. Rossz égéstér-kialakításnál, nem megfelelĘ hĘértékü gyertya esetén már 6-s sĦrítési aránynál is megfigyelhetĘ a jelenség. A fellépĘ helyi túlmelegedések következtében súlyos motorkárosodások léphetnek fel. Az izzó lerakódás okozta öngyulladás és a hengerfej forró, fémes részei okozta korai gyulladás (együttesen felületi gyulladás) különbözĘ kialakítású motoroknál különbözĘ feltételek között jöhet létre. A motor hajlamát a felületi gyulladások kialakulására az úgynevezett LIB-számmal (Leaded Isooktan-Benzene — ólomadalékolt izooktán-benzol) lehet kifejezni. HelyettesítĘ tüzelĘanyagként adalékolt izooktánból (felületi gyulladásra nem hajlamos) és benzolból (felületi gyulladásra nagyon hajlamos) álló keveréket alkalmaznak. A motor LIB-szám igénye a helyettesítĘ tüzelĘanyagnak az adalékolt izooktán-hányada (százalékban), amely alatt a felületi gyulladás tünetei jelentkeznek. 3. ütem: terjeszkedés (expanzió, vagy munkavégzés) A terjeszkedés üteme alatt a dugattyú a felsĘ holtponti helyzetébĘl az alsó holtponti helyzet felé halad, miközben mindegyik szelep zárva van. A sĦrítési ütem vége elĘtt a villamos szikrával meggyújtott 34
keverék gyorsan elég, miközben a tüzelĘanyag kémiai energiája hĘenergiává alakul át. Az égés következtében keletkezĘ gázok hĘmérséklete körülbelül 2200~2900 °C-ra, nyomása 30~60 bar-ra növekszik. A nagy nyomás a dugattyút lefelé nyomja, eközben munkát végez. Ez tehát a munkavégzĘ ütem. A terjeszkedés közben az égéstermék térfogata növekszik, ennek folytán nyomása és hĘmérséklete csökken. A terjeszkedés végén a nyomás általában körülbelül 3~4 bar, a hĘmérséklet pedig 550~800 °C. A négy közül csak a terjeszkedés ütemében történik munkavégzés. A többi három ütem a következĘ terjeszkedés ütemének elĘkészítésére szükséges. 4. ütem: kipufogás A dugattyú az alsó holtponti helyzetébĘl felfelé halad és a hengerben levĘ égésterméket a nyitott kipufogószelepen át a szabadba tolja. Eközben a szívószelep zárva van. Az égéstermék nyomása a terjeszkedési ütem végén még körülbelül 3~4 bar, ezért a kipufogószelepet már jóval a dugattyú alsó holtponti helyzete elĘtt kell nyitni, hogy a nyomás a hengerben annyira lecsökkenjen, hogy ne fékezze a felfelé induló dugattyút. A nagy fordulatszámú motorok esetében 20~30 löketszázalékkal (45~55°-kal) kell a kipufogószelepet a dugattyú alsó holtponti helyzete elĘtt nyitni. Ekkor az égéstermék nagy része még a dugattyú alsó holtponti helyzetének elérése elĘtt kiáramlik. A felfelé haladó dugattyú a hengerben visszamaradt égésterméket a nyitott kipufogószelepen át kitolja a szabadba. Az égéstermék minél tökéletesebb kiáramlása céljából a kipufogószelep a felsĘ holtpont után 1~4 löketszázalékkal (5~20°-kal) zár. Ugyanis a felfelé haladó dugattyú az égésterméket nagy sebességgel tolja ki a hengerbĘl, és még akkor is ömlik ki égéstermék, amikor a dugattyú a felsĘ holtpontot elhagyta. Ha a kipufogószelep éppen a felsĘ holtpontban záródna, akkor megakadályozná az égéstermék teljes kiáramlását. A fentiek szerint a negyedik és az elsĘ ütem között a felsĘ holtpont környezetében rövid ideig mindkét szelep nyitva van, ezáltal a töltéscsere jobb, a henger friss töltése tökéletesebb lesz. A kipufogószelep (vagy rés) nyitásakor a hengerben és a kipufogócsĘben levĘ nyomás a kritikusnál nagyobb, ezért a kipufogás kezdeti fázisában az égéstermékek kritikus sebességgel áramolnak ki. A kiáramló gázmennyiség elsĘ közelítésben arányos a szelepnyitási keresztmetszettel. Kezdetben ez a keresztmetszet nagyon kicsi és csak fokozatosan nagyobbodik, ezért elĘször a hengerben a nyomásesés is lassú.
5.6. ábra Egyhengeres motor hengerében és kipufogóvezetékében kialakuló nyomás A kipufogóvezetékben a kipufogás kezdetekor nyomáshullám alakul ki (5.6. ábra), amelynek nagysága annál nagyobb, minél nagyobb a kipufogóvezeték áramlási ellenállása. (Kipufogóvezetéken a hengerfejben levĘ kipufogócsatorna, a kipufogó-gyĦjtĘcsĘ, a szĦkebb értelemben vett kipufogó vezeték és a kipufogó-hangtompítódob együttesét kell érteni.) A kipufogóvezetékben tartózkodó gázoszlop felgyorsításához ugyanis bizonyos idĘre van szükség, és ez alatt az idĘ alatt a hengerbĘl több égéstermék jön ki, mint amennyi. a kipufogóvezetéken eltávozni képes. 35
A kipufogás további fázisa — az égéstermékek kitolása — már a kritikus nyomásviszony alatt játszódik le, a hengerben és a kipufogóvezeték hengerrel szomszédos részében hasonló mértékben csökken a nyomás, és az égéstermékek viszonylag kis nyomáskülönbség hatására hagyják el a hengert. A kipufogás elsĘ fázisában kialakult nyomáshullám nyomáslengéseket vált ki a kipufogócsatornában. Ezeknek a nyomáslengéseknek a sebessége a kipufogógáz hĘmérsékletének megfelelĘ hangsebesség. A kipufogóvezetékben áramló kipufogó gázok sebességét végül is a nyomáslengések eredĘje szabja meg. A kipufogóvezetékben a kipufogó gázok hĘmérséklete is a hely és az idĘ függvényében változik. A kipufogás elsĘ fázisa és az égéstermékek kitolási fázisa nem határolható el élesen egymástól, mert a hengerben levĘ nyomáscsökkenés mértéke nagymértékben függ a kipufogóvezetékek keresztmetszetétĘl, a szelepvezérlési idĘkeresztmetszettĘl, tehát a fordulatszámtól. Az elsĘ, kipufogási fázis akkor tekinthetĘ befejezettnek, amikortól kezdve a hengerben levĘ nyomás lényegében már csak a kipufogóvezeték áramlási ellenállásától függ. Azoknál a motoroknál, amelyeknek kipufogóvezeték-ellenállása és fordulatszáma nagy, a kipufogás elsĘ fázisa az alsó holtpont közelében ér csak véget, ezzel szemben kedvezĘ vezérlési idĘkeresztmetszetĦ motorokban már nem sokkal a felsĘ holtpont után befejezĘdik (5.7. ábra). A kitolási szakaszban a hengerben levĘ nyomás csak kismértékben különbözik a kipufogóvezetékben levĘ nyomástól. (A nyomáskülönbség nagyságrendje 10 kPa.)
5.7. ábra Hosszú kipufogóvezeték esetén a kitolási fázis elsĘ részében a hengerben levĘ nyomás a külsĘ nyomás alá is csökkenhet, mert a kipufogó gázok kinetikus energiája "megszívja" a hengert (a kipufogóvezeték végérĘl negatív nyomáshullám verĘdik vissza). A kitolási fázisban a kipufogóvezeték kialakításától függĘen nyomáslengések is létrejöhetnek. A szokásos vezérlési idĘknél a kitolási fázis vége közelében, az alsó holtpont közelében a szelepzárásból származó fojtásnövekedés miatt a hengernyomás megnövekszik. A növekedés annál nagyobb, minél nagyobb a maradék gázok mennyisége. 5.2. NÉGYÜTEMĥ BENZINMOTOR VEZÉRLÉSI DIAGRAMJA A szelepek nyitásának és zárásárnak helyét az úgynevezett vezérlési diagramban ábrázolják. A 5.8. ábra diagramja a szelepek nyitási és zárási helyzeteit, valamint a gyújtás idĘpontját a forgattyútengely elfordulási szögében ábrázolja. Ennek megfelelĘen: 4 a szívószelep a dugattyú felsĘ holtponti helyzete elĘtt 5~10°-kal (1~3 löketszázalékkal) nyit, és alsó holtponti helyzete után 35~45°-kal (15~20 löketszázalékkal) zár; 4 a kipufogószelep a dugattyú alsó holtponti helyzete elĘtt 45~55°-kal (20~30 löketszázalékkal) nyit, és felsĘ holtponti helyzete után 5~20°-kal (1~4 löketszázalékkal) zár; 4 a gyertya szikrát ad a dugattyú felsĘ holtpontja elĘtt 5~30°-kal. Természetesen, ezek az értékek gyártmányonként — fĘleg fordulatszám szerint — elég tág határok között változhatnak.
36
Įkny Įkz Įbny Įbz Įá
— — — — —
5.8. ábra. kipufogószelep nyitása az AHP elĘtt; kipufogószelep zárása az FHP után; szívószelep nyitása az FHP elĘtt; szívószelep zárása az AHP után; szelepegybenyitás.
37
6. A KÉTÜTEMĥ BENZINMOTOR MĥKÖDÉSE, VEZÉRLÉSI DIAGRAMJA A kétütemĦ benzinmotorok felhasználási területe a kisebb motorkerékpárok, a motorcsónakok és az ipari munkagépek (fĦrész, fĦnyíró, kisebb áramfejlesztĘ, szivattyú stb.) hajtómotorjaként ismert. Kiviteli formájukat tekintve legtöbbjük léghĦtéses egy, két, legfeljebb három hengerrel. A töltetcsere-folyamat egyszerĦbb szerkezeti megoldása jelenti a kétütemĦ motor legnagyobb elĘnyét a négyütemĦvel szemben. A résvezérlés miatt ugyanis elmaradnak a szelepek és a vezérlĘmechanizmus. Ezzel a szerkezet egyszerĦbbé válik, bár a henger töltési foka romlik. Szelepekkel, külön öblítĘ fúvóval vagy dugattyús sĦrítĘvel javulna a motor töltési foka, de annyira költségessé tenné az elĘállítását, hogy nem lenne versenyképes a négyütemĦvel. A kétütemĦ motorban a teljes munkafolyamat a forgattyús tengely egy fordulata alatt zajlik le. A kétütemĦ motor hengerterében a négy ütem közül csak kettĘ, az összenyomás és a terjeszkedés üteme maradt meg. A töltéscsere, vagyis az égéstermék eltávolítása a hengerbĘl és a friss keverék beáramlása nem külön kipufogási és szívási ütem alatt, hanem a terjeszkedés végén és a sĦrítés elején, tehát részben ezeknek rovására folyik le. A kétütemĦ motor résvezérlésĦ, a be- és kiömlĘ csatornákat a dugattyú zárja, illetve nyitja. A szívócsatorna a motor zárt forgattyúházába, az átömlĘ csatorna a forgattyúházból a hengertérbe, a kipufogó csatorna pedig a hengerbĘl a szabadba vezet. A kétütemĦ mĦködés tehát úgy lehetséges, hogy a forgattyúház is részt vesz a munkafolyamatban. Az ilyen motort háromcsatornás, kétütemĦ motornak is nevezik, mert a töltés három csatornán, a szívó-, az átömlĘ-, és a kipufogó-csatornán keresztül cserélĘdik. A kétütemĦ motor munkafolyamatainak vizsgálata során a hengertérben lezajló ütemeket és a forgattyúházban lefolyó jelenségeket kell figyelemmel kísérnünk. 1. ütem: Az elsĘ ütem során a dugattyú az alsó holtponti helyzetébĘl a felsĘ felé halad, a hengertérben a felfelé haladó dugattyú elzárja elĘször az átömlĘ-, majd a kiömlĘ csatorna nyílását, a friss töltet átömlése ekkor ér véget és kezdĘdik a sĦrítés. A sĦrítés vége elĘtt a keveréket villamos gyújtószikra gyújtja meg. Ezalatt, a forgattyúházban a felfelé haladó dugattyú elĘször csak nyomáscsökkenést idéz elĘ, majd amikor az alsó pereme megnyitja a szívócsatorna nyílását, megkezdĘdik a friss keverék beáramlása a forgattyúház táguló terébe. 2. ütem: Ekkor a dugattyú a felsĘ holtponti helyzetébĘl lefelé halad. A nagynyomású égéstermék a dugattyút a felsĘ holtpontból az alsó holtpont felé tolja, eközben nyomása és hĘmérséklete csökken. A forgattyúházban a friss keverék beáramlása mindaddig tart, amíg a lefelé haladó dugattyú alsó pereme elzárja a szívócsatorna nyílását. Ekkor kezdĘdik a beszívott keverék elĘsĦrítése és tart addig, amíg a dugattyú felsĘ pereme az átömlĘ csatorna nyílását nyitja. Ekkor a forgattyúházból az elĘsĦrített friss keverék átömlik a hengertérbe és a már valamivel korábban nyitott kipufogó-csatornán át az égésterméket maga elĘtt kitolja a hengerbĘl. A friss keverék átömlése addig tart, amíg a felfelé haladó dugattyú az átömlĘ csatorna nyílását újból elzárja. Ezután a munkafolyamat újra ismétlĘdik. A szívórést a felfelé haladó dugattyú alsó pereme a felsĘ holtpont elĘtt 25~30 löketszázalékkal (55~60°-kal) nyitja és ugyanennyivel a felsĘ holtpont után zárja. Ekkor áramlik be a friss töltet a forgattyúház terébe. A dugattyú a forgattyúházba beszívott keveréket körülbelül 1,3~1,8 bar nyomásra sĦríti elĘ. Erre azért van szükség, mert a friss keveréknek nyomással kell a hengerbe áramolnia, hogy az égésterméket kitolja és a hengerteret kitöltse. A lefelé haladó dugattyú felsĘ pereme elĘször a valamivel magasabban levĘ kipufogórést nyitja körülbelül 30~35 löketszázalékkal (60~65°-kal) az alsó holtpont elĘtt. Ekkor megkezdĘdik az égéstermék kiáramlása a hengerbĘl. Az átömlĘ rést a továbbhaladó dugattyú rögtön ezután, körülbelül 25~30 löketszázalékkal (55~60°-kal) az alsó holtpont elĘtt nyitja és ekkor megkezdĘdik az elĘsĦrített keverék átömlése a forgattyúházból a hengertérbe. Az átömlés, illetve a kipufogás ugyanannyival az alsó holtpont után 25~30, illetve 30~35 löketszázalékkal (55~60, illetve 60~65°-kal) fejezĘdik be, mint amennyivel elĘtte kezdĘdött. Ezeket a motorokat szimmetrikus vezérlésĦ motornak nevezik.
38
6.1. ábra 1 — dugattyú; 2 — szívócsatorna; 3 — hajtórúd; 4 — kipufogó-csatorna; 5 — átömlĘ csatorna; 6 — forgattyústengely. A gyújtásnak a kétütemĦ motor esetében is induláskor kisebb, a fordulatszám növekedésével pedig mindig nagyobb löketszázalékkal a felsĘ holtpont elĘtt (0~40°) kell bekövetkeznie (2. ábra). A kétütemĦ benzinmotor vezérlési diagramja a be- és kiömlĘnyílások nyitási és zárási helyzeteit, valamint a gyújtás idĘpontját a forgattyústengely szögelfordulásának függvényében ábrázolja. A belsĘ kör a forgattyúházban, a külsĘ kör a hengertérben lefolyó munkafolyamatot szemlélteti. A két kör érintkezési vonala a hengertér és a forgattyúház összeköttetését érzékelteti.
6.2. ábra. A kétütemĦ benzinmotor vezérlési diagramja A kétütemĦ motor egyik hátránya, hogy az égésterméket a beáramló friss töltet (keverék) távolítja el. Természetesen eközben a két légnemĦ anyag bizonyos fokú keveredése elkerülhetetlen, és így az égéstermékkel együtt a friss keverék egy része is munkavégzés nélkül távozik a hengerbĘl, ez azt jelenti, hogy a hengertérben mindig marad égéstermék, vagyis a henger rosszul töltĘdik meg friss keverékkel. Mindkét körülmény növeli a motor tüzelĘanyag-fogyasztását, teljesítményét pedig csökkenti. Az elĘbbiekben leírt hátrányok csökkentése, illetve a minél jobb töltéscsere elérésére különféle kétütemĦ motor-rendszereket alakítottak ki. 4 Tarajos-dugattyús motor A tarajos-dugattyús kétütemĦ motorban az átömlĘ- és a kipufogó csatorna egymással szemben torkollik a hengerbe. A dugattyú tetején lévĘ taraj a beömlĘ friss keveréket a henger felsĘ része felé tereli, nehogy a beömlĘ friss keverék a szemben levĘ kipufogórésen rögtön kiszökjön a hengerbĘl.
39
Teljesen mégsem tudja megakadályozni a friss keverék kiáramlását. Hátránya az is, hogy a nagyobb dugattyúfelület miatt több a hĘelvonás, így rosszabb a hatásfok. Ezt a motortípust ma már csak ritkán alkalmazzák.
6.3. ábra. Tarajos-dugattyús kétütemĦ benzinmotor 4
Hurkos öblítésĦ motor
6.4. ábra. Hurkos öblítésĦ motor 1 — kipufogórés; 2 — szívórés; 3 — kipufogás; 4 — átömlés; 5 — átömlĘ csatornák. A hurkos öblítésĦ motortípusban a dugattyú tetején nincs taraj. A be- és kiömlĘ csatornák itt nem szemben helyezkednek el, hanem a beömlĘ csatornák a kipufogóréseket közrefogva érintĘlegesen torkollnak a hengerfalba. A beáramló keverék a henger felsĘ része felé áramlik és a rajzon látható módon a nyilak irányában kitolja az égésterméket a hengerbĘl. Ilyen rendszer esetében az öblítés sokkal jobb. Bár ez a rendszer sem tökéletes, de egyszerĦ szerkezete miatt a korszerĦ kétütemĦ benzinmotorok túlnyomó részét ilyenre készítik (Schnürle-rendszer). 4 Ikerdugattyús benzinmotor A kétütemĦ ikerdugattyús benzinmotor két hengerének közös forgattyúháza és közös égĘtere van. A dugattyúk villás hajtókarra kapcsolódnak. Közülük az egyik a kipufogó- és a szívórést, a másik az átömlĘ rést vezérli. A motor mĦködése hasonló az egydugattyús kivitelhez, azonban a két dugattyú mozgása aszimmetriát idéz elĘ a vezérlésben. A kiömlĘ rést vezérlĘ dugattyú elĘbbre jár, mint az átömlĘ rést vezérlĘ tehát a kipufogórés elĘbb, az átömlĘ rés késĘbb zár. Így jobb töltés érhetĘ el, ennek folytán jobb a motor hatásfoka is (Puch- és Zoller rendszer). Az aszimmetrikus kétütemĦ benzinmotor vezérlése a következĘk szerint történik. A szívórést a bal oldali dugattyú alsó pereme a felsĘ holtpont elĘtt 72°-kal nyitja, és 55°-kal utána zárja. A kipufogórés az alsó holtpont elĘtt 77°-kal nyit, és utána 54°-kal zár. Az átömlĘ rést a jobb oldali
40
dugattyú vezérli, az alsó holtpont elĘtt 40°-kal nyit és utána 73°-kal zár.
6.5. ábra. Ikerdugattyús motor elvi rajza
6.6. ábra. Az ikerdugattyús motor vezérlési diagramja 4 Forgótárcsás vezérlésĦ kétütemĦ motor A forgótárcsás vezérlésĦ kétütemĦ motorokban a forgattyúházba torkolló szívónyílást a forgattyústengelyre ékelt forgótárcsa nyitja, illetve zárja. Minden hengerhez egy-egy forgótárcsa tartozik. Amikor a dugattyú a felsĘ holtpont felé halad, a jól tömített forgattyúházban nyomáscsökkenés keletkezik. Ekkor a forgótárcsa kivágása szabaddá teszi a szívócsatornát és a porlasztóból a tüzelĘanyag-levegĘ töltet a forgattyúházba áramlik (6.7. és 6.8. ábrák). A dugattyú lefelé mozgásakor, amikor a forgattyúházban megszĦnik a szívóhatás, a forgótárcsa zárja a szívócsatorna nyílását. A dugattyú a forgattyúházba beszívott tüzelĘanyag-levegĘ töltetet elĘsĦríti. Röviddel az alsó holtpont elérése elĘtt a dugattyú felsĘ pereme, valamint a dugattyún levĘ nyílás (ablak) szabaddá teszi az átömlĘ csatorna ki- és bevezetĘ nyílásait és a forgattyúházban elĘsĦrített tüzelĘanyag-levegĘ keverék a dugattyú fölötti térbe áramlik. A dugattyú ismételt felfelé mozgásakor a dugattyú összesĦríti a tüzelĘanyag-levegĘ keveréket, majd röviddel a felsĘ holtpont elérése elĘtt azt a villamos szikra meggyújtja. Ezt követĘen dugattyú lefelé mozgásakor mindaddig munkavégzés van (terjeszkedés üteme), amíg a dugattyú felsĘ pereme az alsó holtpont közelében a kipufogónyílást szabaddá nem teszi. Az égéstermékek ekkor a kipufogócsövön keresztül a szabadba áramlanak. Röviddel a kipufogónyílás szabaddá tétele után a dugattyú felsĘ pereme és a dugattyúban levĘ ablak ismét nyitja az átömlĘ csatornát, ekkor a forgattyúházból a hengerbe áramló elĘsĦrített tüzelĘanyag-levegĘ keverék kiöblíti az égésterméket és megtölti a dugattyú feletti teret friss keverékkel. A forgótárcsás vezérléssel sikerült a szívás tartamát megnövelni. Amíg a dugattyús vezérlés során a szívás is szimmetrikus, addig az itt aszimmetrikussá válik. A forgótárcsa alkalmazásával a szívás már a felsĘ holtpont után 55°-kal fejezĘdik be. Ezáltal megfelelĘ nagyságú a szívás szöge anélkül, hogy a zárás elĘtt visszafúvás történne a karburátor felé. Az átömlĘ- és kipufogóréseket a
41
szimmetrikus vezérléshez hasonlóan a dugattyú vezérli. Az aszimmetrikus vezérlés megoldásának további lehetĘsége rések és szelepek kombinált alkalmazása. Ez esetben vagy a szívás történik szelepeken és a kipufogás réseken, vagy pedig fordítva, a szívás réseken és a kipufogás szelepeken át. E módszer elĘnye, hogy a szelepeket tetszés szerint lehet vezérelni, függetlenül a dugattyútól.
6.7. ábra. Forgótárcsás vezérlésĦ kétütemĦ benzinmotor
6.8. ábra. Forgótárcsás vezérlésĦ kétütemĦ benzinmotor vezérlési diagramja 4
TöltĘdugattyús kétütemĦ motor
A töltĘdugattyús kétütemĦ motorokban a dugattyún kívül még egy úgynevezett töltĘdugattyút is alkalmaznak. A töltĘdugattyú rövidebb hajtókaron át a forgattyútengelyhez kapcsolódik. Szíváskor mindkét dugattyú a forgattyúházhoz képest kifelé halad és növeli annak térfogatát, sĦrítéskor mindkét dugattyú szemben mozog, növelve az elĘsĦrítés mértékét. A töltĘdugattyús rendszer növeli ugyan a motor teljesítményét, azonban a fogyasztása erĘsen növekszik (6.9. ábra). A kétütemĦ motor alapvetĘ sajátossága, hogy minden motorfordulatra jut munkavégzés, amely azt jelenti, hogy az azonos össz-lökettérfogatú és fordulatszámú, négyütemĦ motorhoz képest teljesítménye elméletileg kétszeres. A kétütemĦ motornak azonban kisebb az effektív középnyomása. A kétütemĦ motor hengertöltését — a gázlengések hatását kihasználva — lehet növelni. Ha azonban a szívó- és kipufogóoldal gázdinamikai szempontból nincs megfelelĘen összehangolva, a hengerbe jutó friss keverék mennyisége jelentĘsen lecsökkenhet. Az elĘbbiekbĘl következik, hogy a kétütemĦ benzinmotorok a fordulatszám változására a töltési rendszer elhangolódása miatt érzékenyebbek, mint a négyütemĦek (ahol a kipufogási ütemben a dugattyú a gázokat a hengerbĘl kitolja, szívási ütemben pedig a benzin-levegĘ töltetet közvetlenül a hengerbe szívja). A literteljesítmény-értékek átlagosan 25~45 kWl-1. Konstrukciós módosításokkal és gondosabb
42
megmunkálással (az elĘsĦrítés növelésével, a forgattyúház holttereinek a kitöltésével, a gázcsatornák felületi megmunkálásával, polírozásával, különleges karburátor alkalmazásával) a 100 kWl-1 is elérhetĘ.
6.9. ábra. TöltĘdugattyús kétütemĦ benzinmotor vázlatos felépítése 1— átömlés; 2 — kipufogás; 3 — szívás A kétütemĦ benzinmotor egyszerĦségébĘl származó másik hátránya a keverékolajozás miatt jelentkezĘ levegĘszennyezésre. Használnak még egyes kétütemĦeken olyan szivattyús kenést, amely a terheléstĘl és a fordulatszámtól függĘ mennyiségben olajat adagol a szívócsĘbe, vagy közvetlenül a kenési helyekre, esetleg a tüzelĘanyagba. Ezáltal pontosabb és a motor igényének megfelelĘbb olajadagolás érhetĘ el. Ilyen kivitelnél a teljes terhelésnél 1_:_40 ~ 1_:_50, üresjáratnál, kis terhelésnél 1_:_50 ~ 1_:_200 körüli kenĘolaj-tüzelĘanyag fogyasztási arány is elérhetĘ. KedvezĘtlen tulajdonsága még a kétütemĦ motornak, hogy alapjáratban és egészen kis terhelés mellett a motor járása egyenlĘtlen, mert ezekben az üzemállapotokban, a hengerben visszamaradó égéstermékek mennyisége növekszik, és emiatt a gyújtás biztonsága romlik, az égési idĘ meghosszabbodik. Ezért többnyire elegendĘ állandó nagyságú elĘgyújtás is, amely egyaránt megfelel a nagyobb terhelésĦ és fordulatszámú, illetve a kisebb terhelésĦ és fordulatszámú (leggyakrabban elĘforduló) üzemállapotban is, ez tovább egyszerĦsíti a motor szerkezetét. A kétütemĦ benzinmotor továbbfejlesztésével ma is foglalkoznak. A kedvezĘbb fajlagos fogyasztást és a jobb kipufogógáz-összetételt benzinbefecskendezéssel és réteges töltést biztosító osztott égéstér együttes alkalmazásával kívánják elérni.
43
7. NÉGYÜTEMĥ DÍZELMOTOR MĥKÖDÉSE ÉS VEZÉRLÉSI DIAGRAMJA A négyütemĦ dízelmotorban a teljes munkafolyamat, éppen úgy, mint a négyütemĦ benzinmotorban, a forgattyútengely két fordulata alatt, azaz a dugattyú négy lökete alatt, négy ütemben zajlik le. A dízelmotor mĦködési elve abban különbözik a benzinmotorétól, hogy a keverék a motor hengerében képzĘdik. A motor nem tüzelĘanyag-levegĘ keveréket, hanem tiszta levegĘ töltetet szív a hengerbe és ezt olyan mértékben sĦríti össze, hogy az összesĦrítés végén 550~700 °C-ra felmelegedjen. A befecskendezĘ-szivattyú ebbe a magas hĘmérsékletĦ levegĘbe fecskendezi (porlasztja) be a gázolajat, amely a levegĘ hĘjétĘl meggyullad és elég. A dízelmotorokat éppen ezért kompressziógyújtású motoroknak is nevezik.
7.1. ábra. A négyütemĦ dízelmotor munkafolyamata 1 — szívószelep; 2 — porlasztó; 3 — kipufogószelep; 4 — hajtórúd; 5 — dugattyú. A dízelmotorban, minthogy hengerében nem keveréket, hanem tiszta levegĘt sĦrítünk össze, a sĦrítés és ezzel a hatásfok növelhetĘ. Azonban túlzottan nem növelhetjük a kompresszió-viszonyt, mert ezzel együtt nĘ a motoralkatrészek igénybevétele és a motor súrlódási vesztesége is. A gyakorlatban ennek figyelembevételével 11~21 kompresszió-viszonyt alkalmaznak. A négyütemĦ dízelmotor munkafolyamata a következĘ: 1. ütem: szívás A dugattyú a felsĘ holtpontból lefelé halad, eközben a nyitott szívószelepen keresztül tiszta levegĘt szív a hengerbe. 2. ütem: sĦrítés A dugattyú az alsó holtpontból felfelé halad. A szívószelep bezáródása után a dugattyú a beszívott levegĘt összesĦríti, eközben nyomása és hĘmérséklete megnĘ. A felsĘ holtpont elĘtt a befecskendezĘszivattyú nagy nyomással, igen finom cseppekre szétporlasztva befecskendezi a tüzelĘanyagot a hengerbe, ahol az a magas hĘmérsékletĦ levegĘben felmelegedve önmagától meggyullad. A gyors égés következtében a nyomás és a hĘmérséklet hirtelen emelkedik. Motorikus körülmények között a befecskendezés fokozatosan melegedĘ levegĘbe történik. Az így mért gyulladási-késedelem értékek 7 • 10-4 ~ 3 • 10-3 másodperc között vannak. A nagy gyulladásikésedelem értékek kis nyomásokon és hĘmérsékleteken alakulnak ki. JelentĘsen befolyásolja a gyulladási késedelem értékét a tüzelĘanyag milyensége is. Adalékolással a gyulladási késedelem csökkenthetĘ. A 7.2. ábra a gyulladási késedelem függését ábrázolja a sĦrítési végnyomás, illetve a sĦrítés 44
végén levĘ levegĘsĦrĦség függvényében állandó hĘmérsékleten. A gyulladási késedelem hĘmérsékletfüggése (7.3. ábra) a motorüzem számára szóba jöhetĘ 600~800 °C-os (900~1100 K) tartományban nagyon kis mértékĦ. Az égéstér falhĘmérséklete intenzív hĦtésĦ motoroknál kis fordulatszámon kissé növeli a gyulladási késedelmet.
7.2. ábra A gyulladási késedelem a sĦrítés-végi levegĘsĦrĦség függvényében Nagy hatással van a gyulladási késedelemre a fordulatszám. Az ok összetett, nagyobb fordulatszámon nagyobb az égéstér falhĘmérséklete, erĘsebb a levegĘ örvénylése, nagyobb az összesĦrített levegĘ nyomása és hĘmérséklete. A befecskendezett tüzelĘanyag-sugárban levĘ tüzelĘanyagcseppek nagysága és egymástól való távolsága alapvetĘen kihat a gyulladási késedelemre, mert a kisebb tüzelĘanyagcsepp gyorsabban felmelegszik és elpárolog. A nagy gyulladási késedelemre hajlamos tüzelĘanyagok esetében az égés befolyásolása a befecskendezés célszerĦ módosításával kevésbé lehetséges, mint a kisebb gyulladási késedelemre hajlamos tüzelĘanyagoknál. Ha az égéstérbe legelĘször befecskendezett tüzelĘanyagszemcsék felületérĘl elpárolgott tüzelĘanyag gyorsan meggyullad, akkor az égési folyamat alakulását és idĘtartamát a befecskendezés folyamata lényegében meghatározza. Ezzel szemben nagy gyulladási késedelmĦ tüzelĘanyagoknál (például nehézolaj) az égés kezdetekor a befecskendezés már befejezĘdött, így a befecskendezés idĘbeli lefolyása egyáltalán nincs hatással az égésre.
7.3. ábra A gyulladási késedelem a sĦrítési véghĘmérséklet függvényében A nagy gyulladási késedelem hátrányos a motor üzeme szempontjából, ekkor a motor keményen jár, mert a befecskendezés befejezése után nagyobb tüzelĘanyag-mennyiség egyszerre alkothat gyulladóképes keveréket, és ezért — hasonlóképpen, mint a benzinmotorok detonációs égésénél —
45
egyszerre nagyobb mennyiségĦ tüzelĘanyag gyullad meg és nagy nyomásnövekedési sebességgel túl gyorsan ég el. Dízelmotorok égésfolyamata több, egymástól jól elkülöníthetĘ fázisra bontható. Az égés elsĘ, úgynevezett kinetikai vagy szabályozatlan fázisában a gyulladási késedelem idĘtartama alatt befecskendezett tüzelĘanyag-mennyiség ég el. Ezt a fázist fizikai-kémiai folyamatok törvényszerĦségei határozzák meg. A kinetikai fázis általában 5~7° forgattyútengely-elfordulás alatt játszódik le, és e fázison belül alakul ki a legnagyobb nyomásnövekedési sebesség. A rákövetkezĘ diffúziós vagy szabályozott fázisban az égés sebességét a befecskendezési karakterisztika, és a tüzelĘanyag-levegĘ keveredési sebessége határozza meg. A kinetikai és diffúziós fázis együttesen alkotják a fĘ égésfolyamatot, amely jó keverékképzés esetén, együttesen kb. 40° forgattyútengely-elfordulás alatt megy végbe. A fĘ égésfolyamat alatt nem szabadul fel a hengerbe juttatott teljes hĘmennyiség. Az égés általában egészen a kipufogószelep nyitásáig elhúzódik. Ez a szakasz — az utóégés —fázisa ismét diffúziós jellegĦ. Ebben a fázisban a hĘenergia 10~20%-a szabadul fel. 3. ütem: terjeszkedés A dugattyút a nagy gáznyomás a felsĘ holtpontból az alsó holtpont felé tolja. Ez alatt a szelepek zárva vannak. A gázok nyomása és hĘmérséklete a terjeszkedés közben csökken. Az alsó holtpont elĘtt nyit a kipufogószelep, megkezdĘdik az égéstermék kiáramlása a hengerbĘl. 4. ütem: kipufogás Az alsó holtpontból felfelé haladó dugattyú a hengerben levĘ égésterméket a nyitott kipufogószelepen keresztül kitolja a szabadba. Ezután újra kezdĘdik a munkafolyamat, vagyis a szívás, majd a többi ütem
7.4. ábra. A négyütemĦ dízelmotor vezérlési diagramja A vezérlési diagramból leolvashatók a szelepnyitási, -zárási, valamint a befecskendezési szög értékei. 7.1.
BEFECSKENDEZÉS
A tüzelĘanyagot úgy fecskendezik be, hogy az égés elĘtt és az égés folyamán, lehetĘleg egyenletesen legyen elosztva az egész levegĘben. Két ilyen eljárás ismeretes: 4 közvetlen befecskendezés, 4 közvetett (kamrába) fecskendezés. Közvetlen befecskendezés Az égésteret legtöbbször a dugattyúban alakítják ki. A befecskendezĘ szelep központosan helyezkedik el a hengerfejben és egy maximum 12 furatos, több-furatú fúvókából fecskendezi be a tüzelĘanyagot a teknĘ alakú égéskamrába. A fúvókanyílásnál a nyomás körülbelül 200 bar és a befecskendezési 46
nyomás a szivattyún 1000 bar-ig növekedhet. Beáramláskor a levegĘ csavaros vagy érintĘleges csatornán, vagy ferdén irányított beömlĘnyíláson keresztül forgó mozgásba jön. A levegĘörvény elĘsegíti a tüzelĘanyagnak az egész égéstérre való elosztását.
7.5. ábra Közvetlen befecskendezés
4 4 4 4 4 4
A közvetlen befecskendezés elĘnyei a következĘk: kisebb tüzelĘanyag-fogyasztás, mert a töltéscsere és a hĘveszteségek miatt keletkezĘ áramlási veszteségek csekélyek; az égéstér falainak egyenletes és viszonylag kicsi a hĘterhelése; az indításhoz nem kell kisegítĘ indítást alkalmazni. A közvetlen befecskendezés hátrányai a következĘk: a hirtelen nyomásnövekedés és nagy nyomáscsúcs miatt, a mechanikai igénybevétel nagy és a motor futása zajos; a motor a tüzelĘanyagra érzékeny, mert a gyújtási késedelemnek kicsinek kell lennie; a szívási utakat különlegesre kell kialakítani olyanra, hogy már kis fordulatszámnál erĘs levegĘörvény keletkezzék, ami a hengertöltés romlását idézi elĘ, nagy fordulatszámok esetén.
Az eljárás hátrányai lassú járású motoroknál jelentkeznek legkevésbé. Azért ezeket többnyire közvetlen befecskendezéssel gyártják. Ma a tehergépkocsi-gyártásban is fĘleg a közvetlen befecskendezés a leghasználatosabb, mert nagyon gazdaságos. A közvetlen befecskendezés még -15 °C-os hĘmérsékleten is segédindító nélkül indít. Mindenesetre, túl alacsony hĘmérsékleten a gyulladás késleltetve következik be és a motor fehér füstöt bocsát ki. Fehér füst akkor keletkezik, ha 250 °C-nál kisebb hĘmérsékleten a motorban gyújtásgátlás keletkezik, vagy egyáltalában nem jön létre gyulladás. A kipufogógáz ilyenkor igen kis kondenzált szénhidrogéncseppeket tartalmaz. 250 °C-nál nagyobb hĘmérséklet esetén a füst kék színĦ, mert ebben a hĘmérséklet-tartományban a cseppek még kisebbek. Közvetett befecskendezés A tüzelĘanyagot nem közvetlenül a fĘ égéstérbe hanem egy leszĦkített rész-égéstérbe (kamrába) fecskendezik be. A 7.6. ábrán egy elĘkamrás és egy örvénykamrás égéstér látható. A kamratérfogat az égéstér teljes térfogatának körülbelül 25~60 %-a. A befecskendezĘ szelep a kamrában helyezkedik el, és a tüzelĘanyagot a közvetlen befecskendezésénél kisebb nyomással, csapos fúvókán keresztül (a fúvónyílásnál a nyomás kb. 100 bar) mérsékelten porlasztva fecskendezik be. Az örvénykamrában a tüzelĘanyag eloszlását a levegĘörvény segíti elĘ. Ez a kompresszió löket alatt keletkezik, amikor a levegĘ az érintĘleges záró csatornán keresztül a kamrába nyomódik. Az elĘkamrában nincs nagy levegĘmozgás. A tüzelĘanyagot a lehetĘ legmélyebben, az égĘ szájnyílása közelében kell befecskendezni, hogy miután az elĘkamrában az égés megkezdĘdött, a tüze 47
lĘanyag gyorsan a fĘ égéstérbe jusson. Mindkét térben nagyok a hĘmérsékletek, aminek következtében a gyújtási késedelem erĘsen lecsökken. A nagy hĘmérséklet és az oxigénhiány miatt, sok krakkreakció megy végbe. A krakkolódás és a nem kielégítĘ oxigénmennyiség miatt, a kamrában az elĘégés lassú. A kamrában bekövetkezĘ nyomásnövekedés a kamra egész tartalmát nagy sebességgel a fĘ égéstérbe röpíti. Ott azután végbemegy az utóégés. A fĘ égéstérben erĘs örvények keletkeznek és a krakkolódott tüzelĘanyag koromképzĘdés nélkül elég. A közvetett befecskendezés elĘnyei: 4 A kamrában keletkezĘ nagy hĘmérséklet a nagyon különbözĘ tüzelĘanyagok esetében is rövid gyújtási késedelmet idéz elĘ. A motor a tüzelĘanyagra nem érzékeny. A nyomásnövekedés és a nyomáscsúcs kicsi marad, mert a krakkolódás és az oxigénhiány miatt, egyenletes égés megy végbe. 4 A motor járása halkabb, mint a közvetlen befecskendezéses motoré. 4 A befecskendezési nyomás kisebb, mint a közvetlen befecskendezésé, ami a befecskendezĘszivattyút és a fúvókákat mechanikusan nem veszi annyira igénybe. 4 A fúvókákat az elkokszosodás alig veszélyezteti, mert a csapos fúvóka önmagát tisztítja. 4 A hengertöltés — különösen azokban a motorokban, amelyek nagy fordulatszám-tartományban mĦködnek — jobb, mint a közvetlen befecskendezés esetén, mert a beáramláskor nem kell levegĘörvényt létrehozni.
4 4 4
A közvetett befecskendezés hátrányai: Nagyobb fajlagos tüzelĘanyag fogyasztás. A töltetnek kamrába áramlásakor ugyanis nagyok az áramlási veszteségek, az elégéskor keletkezĘ hĘveszteségek az égéstér nagyobb felülete miatt nagyok. A hĘterhelés nagy, különösen a kamraszájnyíláson és a dugattyúfenéken. Indításhoz segédindító (izzítógyertya vagy izzópapír) kell.
A kamrás motor kisebb módosítások után „mindenevĘ" üzemeléshez is alkalmas. Ekkor a 400~450 °C forrásponttartományú valamennyi szénhidrogénnel, valamint növényi olajokkal és szükség esetén alkohollal is üzemeltethetĘ.
7.6. ábra Közvetett befecskendezés a – elĘkamrás; b – örvénykamrás
48
7.2.
A BEFECSKENDEZė SZIVATTYÚK KIALAKÍTÁSA
A befecskendezĘ rendszer befecskendezĘszivattyúból, vezetékekbĘl és szelepekbĘl áll. A befecskendezĘszivattyúnak a kĘvetkezĘ feladatokat kell ellátnia: 4 a tüzelĘanyag szállítása nagy nyomással (1000 bar-ig); 4 a tüzelĘanyag adagolása a motor teljesítményének függvényében, 4 tüzelĘanyag-befecskendezés a megfelelĘ pillanatban; 4 a tüzelĘanyag befecskendezése elĘre meghatározott befecskendezési törvény szerint. A motorról hajtott bütyköstengely a görgĘs szelepemelĘ segítségével megemeli a dugattyút. A bütykös tengely fordulatszáma négyütemĦ motornál a forgattyús tengely fordulatszámának felével, kétütemĦ motornál a teljes fordulatszámával azonos. A befecskendezĘ dugattyú lökete állandó.
7.7. ábra TüzelĘanyag adagolás A befecskendezendĘ mennyiséget a dugattyú a hossztengely körüli elfordulásával adagolja (7.7. ábra). A tüzelĘanyag szállítása akkor kezdĘdik, amikor a dugattyú felsĘ széle a felfelé haladó löket közben a szívófuratokat éppen lezárta. A szállított tüzelĘanyag mennyiséget és a szállítás végét a ferde vezérlĘél határozza meg. Amikor ez a szívófuratokra rácsúszott, akkor a dugattyú által kiszorított tüzelĘanyag a hosszanti hornyon és a bemaráson keresztül, visszaáramlik a szívótérbe.
7.8. ábra BefecskendezĘ szelep A szállítás és a befecskendezés kezdete között állandó idĘ telik el, amely a befecskendezĘ
49
vezeték hosszától és a nyomásnak a gázolajban való terjedési sebességétĘl függ. Az égés ennek az idĘköznek és a gyújtási késedelemnek az összegébĘl álló idĘvel késĘbb kezdĘdik, mint a szállítás. A szállítás kezdete és a gyújtás kezdete közötti idĘkülönbség független a fordulatszámtól. A fordulatszám növekedésével azonban a szállítás és az égés kezdete közötti forgattyúszög növekszik. Nagy fordulatszám-tartományú motorokban ez, különösen nagy fordulatszámok esetén, az égés rosszabbodásához vezethet. Azért az ilyen motorokban a szállítás kezdetét a fordulatszám növekedésével korábbi idĘpont felé állítják el. A befecskendezĘ vezeték a befecskendezĘszivattyút köti össze a befecskendezĘ szelepekkel. Ezt 6 ~ 8 mm külsĘ átmérĘjĦ, 1,5 ~ 2,5 mm falvastagságú acélcsĘbĘl készítik. A vezetékeknek azonos hosszúságúaknak kell lenniük, hogy a befecskendezési idĘpont és a befecskendezett mennyiség minden hengerre ugyanaz legyen. Ha nem így volna, akkor a nyomáshullám különbözĘ terjedési ideje és a tüzelĘanyag kompresszibilitása miatt, a befecskendezett tüzelĘanyag-mennyiségek és a befecskendezési idĘpontok nem volnának azonosak. A vezeték hossza a szivattyútól legtávolabb esĘ hengerhez igazodik. A befecskendezĘ szelep fúvókatartóból és fúvókából áll. A fúvókatartó felsĘ végéhez csatlakozik a befecskendezĘ vezeték. A tüzelĘanyag nyomást fejt ki a nyomókamrában a fúvókatĦ ferde vállára és azt nyitja a rugóerĘ ellenében. A befecskendezés befejezése után a rugó zárja a fúvókatĦt. A gyakorlatban alkalmazott befecskendezĘ fúvóka a lyukfúvóka és a csapos fúvóka lehet. A lyukfúvókát (7.9. ábra) közvetlen befecskendezéses motorokban alkalmazzák, legfeljebb 12 furattal készítik. A furatátmérĘ nagyobb, mint 0,2 mm. A lyukfúvóka végleges alakját motorkísérlettel állapítják meg; ilyenkor meg kell vizsgálni a különféle fúvókaváltozatokat (a lyukszám, furatátmérĘ, furathossz, a lyukak és furatok a függĘlegessel alkotott szöge) a teljesítményre, és a fajlagos tüzelĘanyag-fogyasztásra kifejtett hatás szempontjából. A fúvókanyitó nyomás általában 150 ~ 250 bar.
7.9. ábra Lyukfúvóka A csapos fúvókát (7.10. ábra) kamrás motorokban alkalmazzák. A fúvókatĦn levĘ csap hozza létre a kiáramló tüzelĘanyag-sugár alakját és megvédi a fúvókafuratot a kokszlerakódástól. A fúvókanyitó nyomás kisebb, mint a lyukfúvókáé körülbelül 80 ~ 125 bar. A fojtócsapos fúvókában a csap a löket kezdetén fojtja a kifecskendezett tüzelĘanyagot. Ennek következtében a motor futása simább lesz.
50
7.10. ábra Csapos fúvóka kialakítások
51
8. A KÉTÜTEMĥ DÍZELMOTOR MĥKÖDÉSE ÉS VEZÉRLÉSI DIAGRAMJA A kétütemĦ mĦködési elv érdekessége, hogy nemcsak a legkisebb modellmotorokat, hanem a legnagyobb dízelmotorokat is kétütemĦre készítik. Ez utóbbiak a lassú fordulatszámú nagy dízelmotorok, amelyeket hajó- vagy stabil motorként alkalmaznak. A kétütemĦ rendszert a négyütemĦvel szemben a teljesítménynövelés eszközének is tekinthetjük, mert a motor literteljesítménye azonos motorfordulatszám mellett az ütemszámtól és a középnyomástól függ. Bár a kétütemĦ rendszerben a dugattyúlöket jelentĘs része elvész a résvezérlés következtében, és az öblítés tökéletlensége miatt a visszamaradó égéstermék is több, az indikált középnyomás a töltĘlevegĘ mennyiségének — és ezzel arányosan a befecskendezett gázolaj mennyiségének — növelésével, akár a négyütemĦeknél elérhetĘ értékig emelhetĘ. Ezért a kétütemĦ dízelmotor literteljesítménye elvileg akár 50~60 %-kal is nagyobb lehet, mint a négyütemĦ dízelmotoré. A teljesítménynyereség eléréséhez azonban számos nehézséget kell leküzdeni, ezek: 4 A munkahenger töltési és öblítési problémáinak megoldása a jármĦmotorok nagy fordulatszámán, váltakozó terhelés mellett. 4 A két ütem miatt nagy az alkatrészek átlagos hĘmérséklete. A minden fordulatra jutó munkaütem miatt a hengerfal, a hengerfej, a dugattyú és különösen a legfelsĘ dugattyúgyĦrĦ igen nagy hĘterhelést visel. Szükséges a dugattyú víz- vagy olajhĦtése. A gázerĘk állandóan egy irányban hatnak, ami elĘsegíti a gyĦrĦhornyokban a kokszlerakódást és a gyĦrĦk beragadását. 4 A hajtórúdcsapágyak átlagos terhelése nagyobb, mint a négyütemĦnél, és az egyirányú terhelés miatt a csapágyfelületek közötti szivattyúzó hatás elmarad. 4 A befecskendezĘszivattyú bütyköstengelye kétszer gyorsabban forog, és egy ciklus tüzelĘanyag-szállítási mennyisége azonos fordulatszám és hengerteljesítmény mellett, fele a négyütemĦ rendszerének. Különleges befecskendezési rendszert kell alkalmazni. 4 A kétütemĦ dízelmotoroknak mindig szükségük van töltĘlevegĘ-sĦrítĘkre, amelyeknek a teljesítményigénye viszonylag nagy. 4 A kipufogó gázok energiatartalma kisebb, mert — a négyütemĦekkel szemben — hiányzik a dugattyú kitolási munkája. Ez turbótöltĘ alkalmazásakor lehet hátrányos, mert különösen részterhelésnél a turbótöltĘvel szállított levegĘ nem elegendĘ a motor üzeméhez. A turbófeltöltést csak a mechanikus hajtású sĦrítĘ mellett kisegítĘként, és csak a motor nagy terhelése esetén lehet használni. JármĦmotorként a kétütemĦ dízelmotorok három alaptípusa vált be. Ezek közt a konstrukciós eltéréseket a töltetcsere módja, illetve annak vezérlése között levĘ különbözĘségek határozzák meg. Mindhárom közös jellemzĘje az, hogy az öblítĘlevegĘt nagyobbrészt a motorról mechanikusan hajtott térfogat-kiszorításos elven mĦködĘ, belsĘ sĦrítés nélküli töltĘvel (Roots-fúvó) vagy belsĘ sĦrítésĦ töltĘvel (Lysholm-csavarkompresszor) állítják elĘ. Erre nemcsak a motor indításához van szükség, hanem azért is, mert nincs szívóütem, és a négyütemĦhöz képest csupán egyharmad rész idĘ (körülbelül 0,01 s) alatt kell az égésterméknek eltávoznia, a hengert friss levegĘvel kiöblíteni és feltölteni. A levegĘtöltĘ tömege a motor tömegéhez képest jelentĘs. Méretét csökkenteni (például a fordulatszám növelésével) nem lehet, mert ezzel hatásfoka romlik, így több energiát von el a motortól és nagyon zajossá válik. Mivel a töltĘberendezések levegĘszállítását a motor legnagyobb nyomatéki pontjára méretezik, ebbĘl következik, hogy az ettĘl eltérĘ motorfordulatszámokon nĘ a szállított levegĘ mennyisége. Ez azonban elĘnyösen használható öblítésre és a dugattyútetĘ hĦtésére. Itt jegyezzük meg, hogy hidraulikus elven mĦködĘ, (például centrifugál) töltĘt önmagában — a kedvezĘtlen szállítási karakterisztika miatt — kétütemĦ dízelmotorhoz nem alkalmaznak. De problémát jelent az is, hogy a fúvó a motor részterhelésénél is felveszi a teljes terheléshez szükséges teljesítményt, ami a tüzelĘanyag-fogyasztást növeli. A töltĘlevegĘ hármas feladata — öblítés, hĦtés, töltés — a legtökéletesebben az egyenáramú öblítési rendszereknél teljesül, mivel ezeknél a vezérlési diagram aszimmetrikus, azaz a kipufogó korai zárásával a veszteségek csökkenthetĘk. Tiszta résvezérlésĦ kétütemĦ dízelmotor A tiszta résvezérlésĦ kétütemĦ dízelmotorban kétféle rést találunk, beömlĘ- és kipufogóréseket. A 52
légsĦrítĘ a levegĘt rendszerint a motor hengereit körülvevĘ légtérbe szállítja, ahonnan a beömlĘréseken keresztül beáramolhat a hengertérbe (8.1. ábra). A tiszta résvezérlésĦ kétütemĦ dízelmotor mĦködése a következĘ: 4 1. ütem: A dugattyú az alsó holtpontból a felsĘ felé halad. Az ütem kezdetén a beömlĘ- és kipufogórések még nyitva vannak, a beáramló tiszta levegĘ kiöblíti a hengertérbĘl az égéstermékek nagy részét, és a henger megtelik friss levegĘvel. A felfelé haladó dugattyú elĘbb a beömlĘ-, majd a kipufogóréseket zárja és megkezdĘdik a sĦrítés. A felsĘ holtpont elérése elĘtt a befecskendezĘ-szivattyú beporlasztja a tüzelĘanyagot az égéstérbe, ahol az a forró levegĘvel keveréket alkotva, önmagától meggyullad. Az égés során a gázok hĘmérséklete emelkedik, nyomása nĘ. 4 2. ütem: Az égéstermék nyomása a dugattyút lefelé tolja, ezáltal munkát végez, miközben a gázok nyomása és hĘmérséklete csökken. Ez a terjeszkedés, vagyis a munkavégzés fázisa. Az alsó holtpont elĘtt a dugattyú felsĘ pereme nyitja a kipufogóréseket, amelyeken át megkezdĘdik az égéstermékek eltávozása, majd kevéssel utóbb a beömlĘ-réseket is, amelyeken keresztül megkezdĘdik az öblítés és a töltés. A töltéscsere az alsó holtpont után addig tart, amíg a felfelé haladó dugattyú el nem zárja a réseket, azután ismét kezdĘdik a sĦrítés.
8.1. ábra. RésvezérlésĦ kétütemĦ dízelmotor vázlatos felépítése A kétütemĦ dízelmotor esetén, minthogy nem tüzelĘanyag-levegĘ keverék, hanem tiszta levegĘtöltet öblíti, illetve tölti meg a hengert, a kipufogóréseken kiömlĘ levegĘvel nincs tüzelĘanyagveszteség. A lefelé haladó dugattyú felsĘ pereme az alsó holtpont elĘtt körülbelül 30~50 löketszázalékkal (60~65°-kal) nyitja a kipufogórést, akkor megkezdĘdik az égéstermékek kiáramlása. A továbbhaladó dugattyú körülbelül 20~25 löketszázalékkal (45~55°-kal) az alsó holtpont elĘtt nyitja a beömlĘ-rést is. Ekkor a légsĦrítĘbĘl a levegĘ beáramlik a hengertérbe, és maga elĘtt kiszorítja a még bennmaradt égéstermékeket és kitölti a hengert. A beömlés és a kipufogás ugyanannyival fejezĘdik be az alsó holtpont után, mint amennyivel kezdĘdött (8.2. ábra). A vezérlési diagram a kétütemĦ tiszta résvezérlésĦ dízelmotor be- és kiömlĘréseinek nyitási és zárási idĘpontját, valamint a tüzelĘanyag befecskendezésének idĘpontját tünteti fel a forgattyútengely szögelfordulásának függvényében. A beáramló levegĘt — a rések megfelelĘ kialakításával — a henger felsĘ része felé irányítják, ahol megfordulva azután a beáramlási iránnyal szemben lefelé áramolva nyomja ki az égésterméket.
53
8.2. ábra. Szimmetrikus vezérlésĦ kétütemĦ dízelmotor vezérlési diagramja Az ilyen rendszerĦ öblítést ellenáramú öblítésnek nevezik. Ahhoz, hogy az ellenáramú, tiszta vezérlésĦ motorok minél tökéletesebb töltésĦek legyenek, igen sokféle szerkezeti megoldással, a be- és kiömlĘnyílások különféle elhelyezésével és irányításával kísérleteztek. Ezek közül a gyakorlatban a legjobban bevált a 6. fejezetben említett, Schnürle-féle hurkos öblítési rendszer. Ez az öblítési rendszer igen jónak bizonyult, ezért az újabb kétütemĦ gépjármĦ-dízelmotorokon fĘképpen ezt alkalmazzák. Kombinált vezérlésĦ kétütemĦ dízelmotor A szimmetrikus vezérlésĦ motorok hátránya, hogy a felfelé menĘ dugattyú elĘbb zárja a beömlĘréseket és késĘbb a kipufogóréseket, ezért kisebb a henger töltése és emiatt a teljesítménye is. Nagyobb töltés azonban csak az aszimmetrikus vezérléssel oldható meg, ahol a kipufogórés nemcsak elĘbb nyit, hanem elĘbb is zár. Ez a szabályozás a kombinált (szelep- és résvezérlés) rendszerrel valósítható meg (8.3. és 8.4. ábrák).
8.3. ábra. Kombinált vezérlésĦ kétütemĦ dízelmotor A kipufogó szelepes motor esetében a kipufogást szelepekkel, az öblítést pedig résekkel vezéreljük. A légsĦrítĘ a levegĘt a hengert körülvevĘ légtárolóba körülbelül 1,5 bar-ra sĦríti. A terjeszkedés végén elĘbb nyitnak a henger felsĘ részén levĘ kipufogószelepek és megkezdĘdik az égéstermékek kiáramlása a szabadba. Amikor a dugattyú felsĘ pereme nyitja a hengerperselyen levĘ ferde furatokat, az elĘsĦrített levegĘ ezeken a furatokon áramlik be a hengerbe, és az égéstermékeket a nyitott kipufogószelepeken keresztül kitolja a hengerbĘl. Az ilyen típusú motort, minthogy az öblítĘ levegĘ a hengerben állandóan egy irányban, az öblítĘ résektĘl a kipufogórések felé áramlik, ezért ezeket egyenáramú öblítésĦ motoroknak is nevezzük. A nyitási, zárási értékeket a vezérlési diagram mutatja.
54
8.4. ábra. Aszimmetrikus vezérlésĦ kétütemĦ dízelmotor vezérlési diagramja Ellendugattyús kétütemĦ dízelmotor
8.5. ábra. Ellendugattyús kétütemĦ dízelmotor vázlatos felépítése A tiszta résvezérlésĦ ellendugattyús motorban egy hengerben két dugattyú jár egymással szemben: a kipufogó-, illetve a beömléseket a henger két végén helyezték el, az egyik dugattyú a kipufogóréseket, a másik az öblítĘ réseket vezérli. A kipufogást vezérlĘ dugattyú 5~15°-kal siet elĘre az öblítést vezérlĘ dugattyúhoz képest, ezáltal a kipufogórések elĘbb zárulnak, mint az öblítĘ rések, tehát a henger töltése nagyobb és jobb (8.5. és 8.6. ábrák).
8.6. ábra. Vezérlési diagram Bár az egyenáramú öblítéssel dolgozó ellendugattyús és kipufogó-szelepes motorok a jobb töltés szempontjából elĘnyösebbek, azonban ez az elĘny drágább szerkezeti megoldást igényel. Ezzel szemben az ellenáramú öblítéssel dolgozó, tiszta résvezérlésĦ motorok szerkezete lényegesen egyszerĦbb, így olcsóbbak is.
55
9. A WANKEL-MOTOR A Wankel-motor egy bolygódugattyús belsĘégésĦ motor, mĦködési elve a 9.1. ábrán látható. NégyütemĦ mĦködési mód szerint mĦködik. A töltéscseréhez a ki- és beáramlási csatornákat a dugattyú vezérli. Egy dugattyúfordulatra három excentertengely-fordulat jut. Mivel egy dugattyúfordulat alatt három munkaütem megy végbe, minden excentertengely-fordulathoz egy munkaütem tartozik. A Wankel-motor teljes lökettérfogatának megadásakor két kamra lökettérfogatát összegezzük. Ennek magyarázatát a négyütemĦ löketdugattyús motorral való összehasonlítás adja meg. Az excentertengely fordulata és a forgattyústengely fordulata — mĦködés szempontjából — egyenlĘvé tehetĘ. Ahhoz, hogy a négyütemĦ löketdugattyús motorban a forgattyústengely egy fordulatára egy munkaütem jusson, a motorban két henger szükséges, összes lökettérfogata a hengerlöket-térfogat kétszeresével egyenlĘ.
9.1. ábra. A Wankel-motor mĦködési módja Egy kamra lökettérfogata a 9.2. ábra szerint, a legnagyobb térfogat és a legkisebb térfogat közötti különbség: Vl Vmax Vmin (9.1) A Wankel-motort eddig csak benzinmotorként gyártották, mert a hosszan elnyújtott égéstér nem alkalmas Diesel-motorhoz. A kompresszióviszony növelése ugyanis az égéstérfelület és égéstérfogat viszonyát még tovább növelné és ennek következtében az égés lényegesen romlana.
56
9.2. ábra. A Wankel-motor egy kamrájának lökettérfogata A bolygódugattyús motornak Diesel-motorként való gyártására mégis talált lehetĘséget a brit Rolls-Royce cég, amely kétlépcsĘs bolygódugattyús motort fejlesztett ki (9.3. ábra). Ebben a motorban a két dugattyú excentertengelyeit úgy kapcsolják össze egy hajtómĦvel, hogy azonos forgásirányban és fordulattal forognak. A nagyméretĦ kisnyomású dugattyú beszívja a levegĘt és azt elĘkomprimálva, a nagynyomású részbe szállítja. A nagynyomású dugattyú tovább komprimálja a levegĘt és felsĘ holtponti helyzetében befecskendezik a tüzelĘanyagot. MegkezdĘdik az égés, és a gáz elĘször a nagynyomású dugattyún végez munkát. Ezután a gáz a kisnyomású részbe áramlik tovább, expandál és ilyenkor a kisnyomású dugattyún fejt ki munkát. Ez a dugattyú a munkaütem végén kitolja az elhasznált gázt.
9.3. ábra. Kétfokozatú bolygódugattyús Diesel-motor Mivel Wankel-motor esetén nincsenek alternáló tömegerĘk, így nagyon nyugodt járással, kis építési térfogattal bír és csekély súlyával tĦnik ki. A kis építési térfogat, csak abban az esetben igaz, ha levegĘszĦrĘ nélkül mérjük a motor beépítési térfogatát. A Wankel-motornál ugyanis olyan nagy térfogatú lépszĦrĘ szükséges, amely a beépítési méretet nagyon naggyá növeli, nagyobbá, mint egy azonos teljesítményĦ hagyományos motor.
57
10. A BELSėÉGÉSĥ MOTOROK SZERKEZETI RÉSZEI A motor szerkezeti részeinek tárgyalása során, azokat a szerkezeti részeket, amelyek általában benzinmotornál és dízelmotornál azonosak, közösen tárgyaljuk. 10.1. BENZINMOTOROK ÉGÉSTEREI A motor égésterét — egypár kivételtĘl eltekintve — a leszerelhetĘ hengerfejben alakították ki. A négyütemĦ motorok égésterébe nyílik a szívó- és kipufogó szelep. A hengerfejben helyezik el a gyújtógyertyát is. A motorok álló helyzetét véve normálisnak, álló és függĘszelepes kialakítások léteznek. Mivel jobb hatásfokot nagyobb kompresszióviszonnyal lehet elérni, így a 8 ~ 10 kompresszióviszony mellett célszerĦ áttérni a függĘszelepes kivitelre, amelynél kedvezĘbb az égéstér formája. 4
A Ricardo-féle égéstér;
10.1. ábra Ricardo-féle égéstér Az angol Ricardo szerkesztette még 1919-ben. ė hívta fel a figyelmet a töltet örvénylésének jelentĘségére és elĘször vizsgálta a különféle tüzelĘanyagok oktánszámát. ė szerkesztette az oktánszám meghatározáshoz alkalmazott CFR motor elsĘ kivitelét is. Az égésteret az álló szívó- és kipufogószelep felett alakította ki. A keverék örvénylése már a szívás folyamán megindul, és erĘsen fokozódik sĦrítésnél, amikor a felfelé mozgó dugattyú az égéstérbe nyomja töltetett. Az erĘs örvénylés a keverék gyorsabb és tökéletesebb égését biztosítja. A gyújtógyertya a friss töltet beömlése helyén a szívószelep felett helyezkedik el. Az égéstérnek kedvezĘ a hosszú
s D
1,3 ~ 1,5 löket és a
kisebb 5 ~ 7 kompresszióviszony. Nagyobb kompresszióviszonynál az égéstér ellaposodik, ami az áramlási és égési viszonyok szempontjából kedvezĘtlen. A Ricardo-féle égésteret az 10.1. ábra szemlélteti. Az ilyen kialakítású motorok fajlagos tüzelĘanyag-fogyasztása elég nagy, 250-300 g(kWh)-1, jelentĘsége az aránylag magas literteljesítményben rejlett. 4 Ék alakú égéstér; A régi korong alakú égéstérbĘl fejlesztették ki úgy, hogy a függĘ szívó- és kipufogó szelepek melletti részt levágták. Így keletkezett a kád alakú égéstér, amely nagy kompresszióviszonyhoz is megfelelĘ. Ennek további fejlesztése az ék alakú égéstér, amely a 10.2. ábrán látható. Ebben az égéstérben jó örvénylés alakul ki, amely az égésfolyamatot gyorsítja. A gyertya elhelyezése is kedvezĘ, mert a szikraút igen rövid. Ez az égéstér csak egy szívó- és kipufogószeleppel alakítható ki. V-elrendezésĦ motoroknál is szívesen alkalmazzák. mert a szelepek vezérlése egy bütykös tengelyrĘl tolórudas58
himbás mechanizmussal könnyen megoldható. Az ilyen égĘterĦ motorok tüzelĘanyag fogyasztása 180 ~ 220 g(kWh)-1.
10.2. ábra Ék alakú égéstér 4
Félgömb alakú égéstér;
Ez az égéstér a legtökéletesebb, hĦtött felülete aránylag a legkisebb, a szelepek átmérĘje a legnagyobb, a gyertya a középpontban, vagy ahhoz közel helyezhetĘ el, az égés terjedési sebessége a leggyorsabb. A gázcsatornák kialakítása kedvezĘ, iránytörésük kicsi. Ezt a verseny- és sportmotorokhoz kiváló égésteret a személygépkocsik nagyobb teljesítményĦ motorjainál is alkalmazzák (10.3. ábra). Ez az égéstér feltöltésre, magas nyomású és szívócsĘ befecskendezésére is alkalmas. A fajlagos tüzelĘanyag fogyasztása szívómotornál 150 g(kWh)-1-ra csökkenthetĘ.
10.3. ábra Félgömb alakú égéstér 10.2. A DÍZELMOTOROK ÉGÉSTEREI A dízelmotorok égéstereit két fĘ csoportra osztják: osztatlan és osztott égésterekre. Az osztatlan égéstereket közvetlen befecskendezésĦ, vagy sugárporlasztású égéstereknek, illetve motoroknak is nevezik. Az osztott égésterek típusai: az elĘkamrás, az örvénykamrás és a légkamrás rendszer. ElĘkamrás dízelmotorok esetén az elĘkamra térfogata a kompressziótér 25 ~ 40 %-át teszi ki. Ezeknél a kamra úgynevezett munkafolyamata két szakaszban játszódik le. A tüzelĘanyagot egy egylyukú csapos fúvókával, körülbelül 140 bar nyomással az elĘkamrába fecskendezik be, ami itt lobban lángra — tehát az égésfolyamat az elĘkamrában kezdĘdik — és a fĘ égéstérben folytatódik. Az elĘkamrának nem a tüzelĘanyag és a levegĘ keveredésének biztosítása feladata, hanem az örvénylĘ mozgások létrehozása a fĘ égéstérben. Az elĘkamrában és a fĘ égéstérben lejátszódó folyamatok nem esnek egybe, az égési folyamat eltolódik, az elĘkamrában uralkodó nyomás nagyobb, mint a fĘ égéstérben. Az elĘkamra hĘfoka gyakran eléri az 1000 °C-ot is. A motor teljesítményét csak
59
a fĘ égéstérben lejátszódó munkafolyamat határozza meg. Az elĘkamrás motor elĘnyének tekintik a kisebb befecskendezési és égési csúcsnyomást. A tüzelĘanyag fogyasztásuk valamivel nagyobb, mint a közvetlen befecskendezésĦ motoroké.
10.4. ábra Ricardo-féle örvénykamrás égéstér A dízelmotorok keverékképzésében fontos szerepet játszik a levegĘ örvénylése, amely csökkenti a gyulladási késedelmet, jobb keverékképzést biztosít és gyorsítja az égésfolyamat lezajlását. Az örvénykamrában a levegĘ gyors forgásra kényszerül, így a befecskendezett tüzelĘanyag minden cseppje hozzájut az égéshez szükséges oxigénhez. A 10.4. ábrán egy Ricardo-féle örvénykamrás égéstér látható. A gömb alakú örvénykamra érintĘleges ferde csatornával kapcsolódik a fĘ égéstérrel. A kompresszió ütemben benyomott levegĘ gyors forgásba jön a kamrában, és jól keveredik az érintĘlegesen befecskendezett tüzelĘanyaggal. A befecskendezéshez egylyukú csapos fúvókát használnak, amelynek oldalsó segédfurata szintén szállít tüzelĘanyagot. Ennek hatása alapvetĘen a motor kis fordulatszámainál és az indításnál jelentós. Az örvénykamrás motorok aránylag kis, 1,25 ~ 1,3 légfelesleg tényezĘvel dolgoznak. Sem teljesítményben, sem tüzelĘanyag fogyasztásban nem érik el a közvetlen befecskendezésĦ vagy a fejlettebb elĘkamrás dízelmotorok paramétereit. Ennek ellenére, a motor lágy járása és rugalmassága miatt, még mindig sokféle típusát építik. 4
A Hesselmann égéstér;
10.5. ábra Hesselmann égéstér A dugattyúfeneket (10.5. ábra) a hengerfej közepén elhelyezett többlyukú porlasztóból kilövellĘ tüzelĘanyag fáklyák irányának megfelelĘen alakították ki. Ennél az égéstér kialakításnál a kompresszióviszony 14 ~ 16, a légfelesleg tényezĘ 1,4 ~ 1,6. A tüzelĘanyag befecskendezési nyomása 180 ~ 200 bar, mert a tüzelĘanyagcseppek szétszórásához hosszú fáklyák szükségesek Nagyobb hengerfuratnál a nyitónyomást növelik, a fáklyák hossza azonban nem érheti el a hengerátmérĘ felét. 60
Az égés csúcsnyomása 80 ~ 95 bar. Ez az égéstér négy-, illetve kétütemĦ motorokhoz is alkalmas. A motor effektív középnyomása 6,5 ~ 7,5 bar, hidegen is könnyen indítható. A fajlagos tüzelĘanyag fogyasztás maximum 130 g(kWh)-1 lehet. 4
Saurer féle égéstér;
A kompressziótér nagy részét, mintegy 80 ~ 90 %-át a dugattyúfenék toroid alakú kamrája képezi (10.6. ábra). Ezért ezt a megoldást dugattyúkamrás égéstérnek is nevezik. A tüzelĘanyagot 180 ~ 200 bar-os nyomással a hengerfej közepén lévĘ többlyukú porlasztóból fecskendezik be. A kompresszióviszony 15 ~ 17, az égés csúcsnyomása 80 bar, a légfelesleg tényezĘ 1,4 ~ 1,5, a fajlagos tüzelĘanyag fogyasztás 120-130 g(kWh)-1. A dugattyúkamrás égésterek a rövid löketĦ motorokhoz is alkalmasak, mert a kamra a legkedvezĘbb formában alakítható ki. Az égéstérben a jó keverékképzés és égés érdekében örvényáramokat hoznak létre. Az örvénylés elsĘ fázisa már a szívás alatt létrejön a szívócsĘ spirális iránya folytán. Ez az egyelĘre lassú spirálirányú forgás a sĦrítés alatt is folytatódik. Mivel a felsĘ holtpont közelében a dugattyú feletti tér egyre jobban csökken, a levegĘ innen kiszorulva a kis átmérĘjĦ dugattyúkamrába áramlik, amelyben gyors forgásra kényszerül. A Saurerféle égésteret a korszerĦ dízelmotoroknál széles körben alkalmazzák.
10.6. ábra Saurer égéstér 4
MAN-féle „HM” égéstér;
A 10.7. ábrán látható gömb alakú égésteret a dugattyúfenékben alakították ki, amely egy nagy nyíláson át kapcsolódik a fĘ égéstérhez. Ez is egy dugattyúkamrás égéstér kialakítás.
10.7. ábra MAN féle „HM” égéstér Az oldalt, ferdén elhelyezett fúvóka két sugárban fecskendezi be a tüzelĘanyagot a dugattyúkamra forró felületére, ahol olajfilm alakul ki. A dugattyúkamrában erĘsen örvénylik a levegĘ — melyet a Saurer rendszerhez hasonló spirálirányú szívócsĘvel biztosítanak — ezért a
61
gyújtási késedelem ideje jelentĘsen lecsökken. A keverék gyulladását azok a parányi tüzelĘanyagcseppek indítják be, amelyek a sugárfáklyából szerteszóródnak és az erĘsen örvénylĘ levegĘbe jutnak. A dugattyúkamrában forgó tĦzgyĦrĦ alakul ki. A kamra közepérĘl a hidegebb, nagyobb fajsúlyú levegĘt a centrifugális erĘ a kamra falához hajtja. Így a további keverékképzés a dugattyúkamra forró faláról elgĘzölgĘ és az örvénylĘ levegĘvel keveredĘ tüzelĘanyagból alakul ki. Ennek érdekében a dugattyúkamra falának melegebbnek kell lennie, mint a tüzelĘanyag párolgási hĘmérséklete, de kisebbnek a tüzelĘanyag krakkolási hĘfokánál, hogy ne képzĘdhessék olajkoksz. Ezen két feltétel teljesítéséhez a dugattyú fenekét alulról kenĘolajsugárral kell hĦteni. AlapvetĘen gépkocsi és vasúti motorokhoz alkalmazzák ezt az égĘtér kialakítást. A kompresszióviszony 14 ~ 15 körüli, a légfelesleg tényezĘ viszonylag kicsi (§ 1,1) a jó keverékképzés érdekében. Ennek eredményeként az effektív középnyomás a dízelmotorok között a legnagyobb, 9 ~ 10 bar. A "HM" eljárás másik nagy elĘnye, hogy a motor mindenevĘ, azaz nemcsak gázolajjal, hanem számos más tüzelĘanyaggal is, például a benzinmotorokhoz használt benzinnel is üzemeltethetĘ. A motor tüzelĘanyag fogyasztása körülbelül 130 g(kWh)-1, nem több, minta Hesselmann, vagy Saurer égésterĦ dízelmotoroké. 4
Jendrassik-féle égéstér;
Az ilyen kialakítású motorok elĘkamráját a hengerfejben oldalt ferdén helyezték el (10.8. ábra). Körülbelül 150 bar nyomással történik a porlasztás az egylyukú nyitott fúvókán át az elĘkamrába. A dugattyú tetejének sarló alakú magasítása örvénytér kialakítására szolgál, ennek közepén az elĘkamrából kiáramló fĘsugár részére ütközĘ felülettel. E motorok kompresszió-viszonya — tekintettel az aránylag nagy hengerfuratra — 12 ~ 14, az effektív középnyomás 5,6 ~ 6,0 bar. A fajlagos tüzelĘanyag fogyasztás körülbelül 130 g(kWh)-1.
10.8. ábra Jendrassik-féle égéstér 10.3. A HENGER A hengert és hengerfejet régebben közös öntvénybĘl készítették, újabban a hengerfej már leszerelhetĘ. TöbbhengerĦ motor hengereit közös tömbbe (blokkba) öntik. Ennek a kialakításnak az az elĘnye, hogy a forgattyúszekrény, amelyre a hengertömböt helyezik, merevebb és így a motor szerkezeti hossza, kisebb. Ez utóbbi szempont, különösen közúti jármĦmotornál, a motor elhelyezése szempontjából elĘnyĘs. KettĘnél több henger egybeöntése öntéstechnikai szempontból hátrányos, mert az öntvény erĘsen tagolt, vékonyfalú. A hengerek külön öntvénybĘl is készülhetnek, ebben az esetben a motor szerkezeti hossza nagy. Több henger egybeöntése annyiban hátrányos, hogy egy henger nehezebb, sérülése esetében az egész tömböt ki kell cserélni.
62
A forgattyúszekrény merevségének fokozása érdekében a hengereket a forgattyúszekrény felsĘ részével egybeöntik. Ebben az esetben a dugattyú nem az öntvény falán siklik, hanem az egyes hengerekbe helyezett perselyekben. 4
Egybeöntött hengerek
Ezen megoldás esetén a soros motorok hengereinek távolságát, a henger szükséges falvastagsága, a hengerek közötti hĦtĘvíztér mérete és a forgattyútengely mérete határozzák meg.
10.9. ábra Henger fĘbb méretei A henger falát a számítottnál vastagabbra készítik, mert üzem közben elliptikus és hordó alakúra kopik. A kopott hengert nagyobb átmérĘjĦre fúrják, és új dugattyúkat szerelnek a motorba. A falvastagságot általában úgy választják meg, hogy — 0,5 mm-es átmérĘ lépcsĘkben — a hengert legalább háromszor fel lehessen fúrni. A méretezéskor figyelembe kell venni az öntĘformában a magnak az elcsúszását is. A henger futófelületét lehetĘleg olyan hosszúra választják, hogy a dugattyú az alsó holtpontban a hosszának legfeljebb 20 %-ával nyúljon be a forgattyúszekrénybe (10.9. ábra). A hengerfurat alsó részét kúposra készítik, hogy a dugattyút a gyĦrĦkkel együtt könnyen lehessen beszerelni. A hĦtĘköpeny hosszát úgy határozzák meg, hogy a dugattyú alsó holtpontjában a felsĘ dugattyúgyĦrĦk még hĦtött hengerfallal érintkezzenek.
10.10. ábra Henger kopása a hĘmérséklet függvényében A henger kopását a dugattyú és a dugattyúgyĦrĦk súrlódása, valamint az égéstermékek korrodáló hatása okozza. Az égéskor keletkezett vízgĘz hideg motornál lecsapódik a hengerfalra és az égéstermékek széndioxidjával, kéndioxidjával, nitrogénjével és nitrogénoxidjával savakat alkothat, amelyek a hengert marja. A 10.10. ábra a hengerfal kopását mutatja a hĘfok függvényében. A
63
savképzĘdés hátránya még, hogy oldja az olajfilmet, és száraz súrlódást okoz, így rontja a súrlódási viszonyokat. A hengerfal kopása a löket közepe fölött a legnagyobb, mert ezen a helyen a dugattyú sebessége már nagy és legnagyobb erĘvel támaszkodik a hengerfalnak. 4
Hengerpersely;
A hengerpersely lehet száraz vagy nedves. A száraz hengerperselynél a megmunkált hengerfalba nagy felületi keménységĦ, vékonyfalú perselyt sajtolnak. Mivel a persely a hĦtĘvízzel közvetlenül nem érintkezik, száraz hengerperselynek nevezik. Ezt a megoldást csak a motor javításakor (henger felfúrása) célszerĦ választani, mert a megmunkálás többletköltséggel jár.
10.11. ábra Hengerpersely A nedves hengerpersely külsĘ fala a hĦtĘvízzel közvetlen érintkezik, könnyen szerelhetĘ és olcsóbb. A gyakorlatban általában centrifugál öntésĦ szürkevas perselyeket használnak. Ha a hengertömb és a forgattyúszekrény alumíniumöntésĦ közös öntvény, mindig alkalmaznak perselyeket. A perselyeknek a hengerfej felöli végén karima található (10.11. ábra), amely a hĦtĘvizet elválasztja a hengertértĘl. A karima és a hengerfej közé helyezik a hengerfejtömítést, amely lágyított vörösrézlemez, vagy réz-azbeszt tömítés. A vízteret a forgattyúszekrény felé 4 ~ 5 mm vastag olajálló gumigyĦrĦvel tömítik. A hengerpersely karimája akadályozza a közvetlen hĦtést, ezért a karima vastagságát a szilárdságilag megengedhetĘ legkisebb értékre kell méretezni. 4
Hengerfej;
A henger és fĘleg hengerfej kialakítása általában a szelepek elhelyezésétĘl függ. Nagy mértékben befolyásolja a kompresszióviszonyt és ezzel egyidejĦleg a motor teljesítményét. A kompresszió-teret — a kopásra hajlamosság csökkentése érdekében — úgy célszerĦ kialakítani, hogy ne legyen tagolt, ezenfelül gondoskodni kell a megfelelĘ hĦtésrĘl is. A hengerfejben helyezik el a benzinmotornál a gyújtógyertyát, a dízelmotornál pedig a befecskendezĘ fúvókát. Néhány szelepelrendezés és hengerfej kialakítás látható a 10.12. ábrán. Az égéstér ideális alakja a gömb, középen elhelyezett gyújtógyertyával, vagy befecskendezĘ fúvókával. Ezt az alakot szerkezeti okokból nem lehet megvalósítani, csak legfeljebb (a kétütemĦ motoroknál) megközelíteni. A kalapácsfejszerĦ megoldást régebbi típusú motoroknál alkalmazták. Az égéstér alakja a legkedvezĘtlenebb, a szelepek mozgatásához két vezérlĘtengely szükséges. Az égéstér szempontjából legkedvezĘbb az ábrán bemutatott megoldás, de a vezérlĘmĦ szerkezet bonyolultabb és költségesebb. Az L-alakú égéstér megoldását fĘként fekvĘ hengerelrendezésĦ motoroknál alkalmazzák. Ez is elavult típus, mert a motor fajlagos tüzelĘanyag fogyasztása nagy, teljesítménye kicsi. Állóhenger elrendezésnél szokásos megoldás a Ricardo-hengerfej.
64
10.12. ábra A többi bemutatott megoldásnál a szelepeket nem a hengerfejben, hanem a hengertömbben helyezik el. A gázvezetékek hosszabbak és a volumetrikus hatásfoka rosszabb, viszont a hengerfej alakja egyszerĦbb. A gyújtógyertyát a szívószelep közelében helyezik el, ahol a hĦtése kedvezĘbb. 4
Állószelep-elrendezésĦ motor hengerfeje;
A legtöbb benzinmotor álló szelep elrendezésĦ, vagyis a szelepeket és a gázcsatornákat a hengertömbben helyezik el. Ez a megoldás az alábbi elĘnyökkel rendelkezik: 4 nagyméretĦ szelepek helyezhetĘk el; 4 a szelepvezérléseket a forgattyúszekrény olajgĘzével lehet kenni; 4 szelepkitöréskor a henger, a dugattyú és a hajtómĦ ritkán sérül meg; 4 a gyújtógyertya kedvezĘen helyezhetĘ el a hĦtése és a láng kiindulása szempontjából; 4 a szelepek vezérlése egyszerĦbb és zajtalanabb; 4 a szívó és kipufogó csatornák azonos oldalon vannak, tehát benzin-motornál a szívócsövet benzin lecsapódás csökkentése céljából a kipufogógázokkal fĦteni lehet; 4 a hengerfej jól hĦthetĘ és a hĦtĘvíz elvezetésére nagy keresztmetszet alakítható ki. 4 4 4
Az elrendezés hátrányai pedig a következĘk: a kompressziótér szabálytalan alakja miatt kellĘ pontossággal nem munkálható meg és az egyes hengerek kompresszióviszonyában kisebb eltérések mutatkoznak; az égéstér tagoltabb, tehát kevésbé kompressziótĦrĘ; nagyobb felülete miatt, égés közben nagyobb a hĘveszteség.
Az eltolt égésterĦ hengerfej (Ricardo-fej) égésterében a gázok örvénylése nagyobb, tehát az égés lefolyása gyorsabb. A dugattyú felsĘ holtponti helyzetében a dugattyúfenék és a hengerfej közötti rés a hengerfejtömítés vastagságával egyezik meg, amely körülbelül 10 ~ 12 mm. A kipufogószelep hĦtése kedvezĘbb, mert a nyitott szeleptányér és a hengerfej közötti rés kicsi (2 ~ 3 mm). A motor kopogásra hajlamosságát könnyĦfém öntvénybĘl készített hengerfejjel lehet
65
csökkenteni, mert nagyobb a hĦtĘhatása (hĘvezetĘ képessége). A hengerfejet a hengertömbhöz tĘcsavarokkal erĘsítik. A csavarokat egyenletesen úgy osztják el, hogy minden henger körül négy kötĘcsavar legyen, a többi csavar az egyenletes tömítést biztosítja. A nagyszilárdságú acélból készült csavarokat a folyási határukig húzzák meg. A tömítési nyomás benzinmotornál 160 ~ 200 bar, Dízelmotornál 260 ~ 320 bar. A csavarokat rendszerint dinamóméteres kulccsal húzzák meg. A hengerfej és a hengertömb közé réz-azbeszt tömítést, ritkábban lágyított vörösréz, vagy lágy alumínium tömítést helyeznek. 4
FüggĘszelep-elrendezésĦ motor hengerfeje;
A függĘszelepĦ motor hengerfeje bonyolultabb kialakítású, mert abban helyezik el a szelepeket, azon ágyazzák a szelepeket mozgató himbákat, abban helyezik el a szívó és kipufogó csatornákat, dízelmotornál az elĘ-, vagy örvénykamrát, és a befecskendezĘ fúvókát, illetve benzinmotornál a gyújtógyertyát. Nagy kompressziójú dízelmotor szelepeit gyakran kissé a fedélbe kell süllyeszteni, nehogy a felsĘ holtpontban lévĘ dugattyúfenékbe ütközzenek. Az égéstér ilyen kis tagolása az égést különösebben még nem befolyásolja. A hengerfejnél a szelepek közötti résznek legnagyobb a termikus igénybevétele, ezért a gázcsatornákat úgy kell kialakítani, hogy a hĦtĘvíz nagy felületen fogja körül. A szívócsatorna keresztmetszeti felülete a szívószeleptĘl kezdve a szívócsĘ csatlakozásáig 1,2szeresére növekszik. Áramlási szempontból a kipufogó-csatornát is ennek megfelelĘen ajánlatos kialakítani. A szívó- és kipufogó-csatornát dízelmotornál a hengerfej két oldalán külön-külön vezetik ki, benzinmotornál viszont célszerĦ azonos oldalon kivezetni. Dízelmotornál a befecskendezĘ fúvókát a motor rendszerének megfelelĘen kell elhelyezni. Ezzel a kérdéssel a késĘbbiekben részletesebben foglalkozunk. Alul elhelyezett vezérlĘtengelynél a szelepemelĘ himbákat mozgató tolórudak számára a hengerfejben megfelelĘ nyílást kell biztosítani (10.13. ábra). Felülvezérelt motornál viszont a hengerfejen kell a vezérlĘtengelyt ágyazni (10.14. ábra).
10.13. ábra Alul vezérelt, felül szelepelt kialakítás
10.14. ábra Felül vezérelt, felül szelepelt kialakítás
66
10.4. A DUGATTYÚ A dugattyú a legerĘsebb mechanikai és termikus igénybevételnek kitett alkatrésze a belsĘégésĦ motornak, melynek a következĘ feladatokat kell teljesítenie a motor mĦködése során: 4 a nyomási energia átalakítása mechanikai energiává; 4 a henger tömítése a forgattyúház felé; 4 a kétütemĦ motorban a be- és kiáramlási nyílások vezérlése. 4 4 4 4 4 4
Az említett követelmények kielégítéséhez a következĘ dugattyútulajdonságok szükségesek: kis tömeg, hogy az alternáló tömegerĘk nagy fordulatszámok esetén is kicsik maradjanak; nagy merevség a dugattyúfenéken, rugalmas dugattyúagy és rugalmas szár; nagy szilárdság a gyĦrĦrészen, hogy a dugattyúgyĦrĦk besajtolódását meggátoljuk; nagy melegszilárdság, különösen a fenéken; jó hĘvezetés, hogy ne keletkezzenek nagy hĘmérséklet-különbségek és így hĘfeszültségek a dugattyú anyagában; csekély hĘtágulás a kis kotyogás érdekében.
A fentiek alapján a dugattyú szerkezete csak kompromisszumos megoldású lehet. A dugattyúfenéken a következĘ égési nyomások hatnak: benzinmotorban: 40 ~ 70 bar; feltöltés nélküli dieselmotorban: 60 ~ 100 bar; feltöltött dieselmotorban: maximum 140 bar. A dugattyú hĘmérséklete sok befolyásoló tényezĘtĘl függ, a mĦködés-, égés-, a hĦtés módjától, motor-igénybevételétĘl. VízhĦtéses négyütemĦ benzinmotor dugattyújának hĘmérsékleteit teljes terhelés esetén szemlélteti a 10.15. ábra. A 10.16. ábra a legfontosabb dugattyúméreteket szemlélteti. A dugattyúcsap helyét két tényezĘ határozza meg. A dugattyú billenĘ mozgásának megakadályozására, súlypontja a csap tengelyén legyen. Másrészt a dugattyúcsapot a dugattyútörzs közepén kellene rögzíteni, hogy a normális erĘt egyenletesen vigye át a hengerfalra. Mivel a két követelmény egyidejĦleg nem elégíthetĘ ki, azért a dugattyúcsapot kevéssel a törzs felett építik be.
10.15.. ábra. Dugattyú-hĘmérsékletek eloszlás A zaj csökkentése végett a csapot dezaxiálisan szerelik be (10.17. ábra), azaz a dugattyúcsap középvonalát 1 ~ 2 mm-rel a dugattyú nyomott oldala felé eltolják. A tengelyen-kívüliség következtében a dugattyú felfekvésének változása a hengerben már kevéssel a felsĘ holtpont elĘtt bekövetkezik és a billenĘ mozgás kevésbé heves. 67
10.16. ábra. Dugattyúméretek D – dugattyúátmérĘ; D1 – belsĘ átmérĘ; L – dugattyúhossz; K – kompressziós magasság; s – fenékvastagság; A – agytávolság; B – csapátmérĘ; l – palásthossz; T – tĦzgát vastagság; S1 – az elsĘ gyĦrĦutáni gátvastagság; S2 – a második és további gyĦrĦutáni gátvastagság; A kis és közepes dugattyúkat (körülbelül az 500 mm-es átmérĘig) legtöbbször alumíniumötvözetbĘl öntik. Nagyon erĘsen igénybe vett dugattyúkat meghatározott alumíniumötvözetbĘl sajtolják. A nagy dugattyúk két vagy több részbĘl állnak. Ez fĘleg hajó és különösen vasúti dieselmotoroknál alkalmazott megoldás a hideg dugattyú nagy hézagának elkerülése céljából. Az acél vagy öntöttvas dugattyúfeneket a különleges öntöttvasból vagy alumíniumból készült törzzsel összecsavarozzák (10.18. ábra). A dugattyú gyártásához különféle alumíniumötvözeteket használnak. Ezek az alumíniumon kívül, 11 ~ 25 % szilíciumot; mindenkor 1 ~ 2 % rezet, nikkelt és magnéziumot, valamint 1 %-nál kisebb mennyiségben vasat, titánt, mangánt és cinket tartalmaznak.
10.17. ábra A dugattyú felfekvése A dugattyú üzem közben erĘsebben tágul, mint az Ęt körülvevĘ henger; ezért hideg állapotban viszonylag nagy hézaggal kell beszerelni. A dugattyú külsĘ alakja hordó-ovális hideg állapotban, úgyhogy a hĘmérséklet- és tömegeloszlás miatt, üzem közben hengeres alakúvá válik. Az úgynevezett szabályozótagok beszerelésével a dugattyú tágulását úgy befolyásolhatjuk, hogy a játék csak kevéssé változzon. Ezzel zajmentes futást, kis olajfogyasztást és berágódásmentességet érhetünk el. A szabályozótagot beöntött acélrészekbĘl alakítják ki. A csaptengelyre merĘleges, nemkívánatos tágulást csapirányúvá változtatják. Ilyenkor a törzsovalitást természetesen különösen nagyra kell tervezni. Ahhoz, hogy a szabályozótagok teljesen hatásosak lehessenek, az
68
olajlehúzó gyĦrĦ hornyában egy hézag választja el a törzset a dugattyú felsĘ részétĘl, és egyidejĦleg meggátolja a törzs felé a hĘáramlást.
10.18. ábra Több részbĘl összeszerelt dugattyúk
10.19. ábra. Hasítottköpenyes dugattyú
10.20. ábra. OlajhĦtéses dugattyú Kis futási kotyogás lehetséges a hasítottköpenyes dugattyú esetében is (10.19. ábra). Az anyagtorlódás miatt fennáll az a veszély, hogy a hasítékokon törések keletkeznek. A dugattyúátmérĘ növekedésével meghosszabbodnak a hĘvezetési utak és a dugattyúfenéken a hĘmérséklet megnövekszik. A dugattyú hĦtése legtöbbször olajjal, ritkábban vízzel meggátolja a 69
megengedhetetlenül nagy hĘmérsékleteket (10.20. ábra) 10.5. DUGATTYÚGYĥRĥK A dugattyúgyĦrĦk feladatuk szerint lehetnek tömítĘ- és olajlehúzó gyĦrĦk. A tömítĘgyĦrĦknek elsĘsorban a hengerteret kell tömíteniük, de ezek befolyásolják a hengerfalon visszamaradó olajmennyiséget is. Az olajlehúzó gyĦrĦk fĘ feladata, hogy a felesleges olajat a hengerfalról a forgattyúházba húzzák le. A henger és a gyĦrĦk kenéséhez szükséges olaj a forgattyúcsap-csapágyból fecskendezĘdik a hengerfalra, vagy nagy motorokban a hengerperselyeken készített különleges furatokon keresztül vezetik az olajat a hengerfalhoz. Azonkívül a gyĦrĦk adják át a hĘt a dugattyútól a hengerfalhoz. Ilyenkor a legfelsĘ tömítĘgyĦrĦ viszi át a legnagyobb hĘmennyiséget. Mivel csak kevés kenĘolaj jut el eddig a gyĦrĦig, azért ez erĘsebben kopik. A túlzottan nagy mechanikai és korróziós kopás ellen keménykrómozzák a gyĦrĦket. A percgyĦrĦk gyorsan illeszkednek a henger alakjához, mert felfekvési felületük elĘször nagyon kicsi. TrapézgyĦrĦket akkor alkalmaznak, ha a kenĘolaj- és tüzelĘanyag-maradványok miatt, gyĦrĦberagadás veszélyével kell számolni. A dugattyúgyĦrĦnek rugózva kell követnie a hengerfalat, hogy azt jól tömítse. A 10.22. ábra a radiális nyomások eloszlását szemlélteti négyütemĦ és kétütemĦ motorra, amelyekkel a dugattyúgyĦrĦ rászorítódik a hengerfalra. A gyĦrĦillesztésen ható fokozott nyomó-elĘfeszültségnek meg kell gátolni az oldallengéseket. KétütemĦ motorban a gyĦrĦillesztésre ható nyomás nem lehet olyan nagy, hogy az illesztési végek beakadjanak a résekbe és eltörjenek.
10.21. ábra DugattyúgyĦrĦk
négyütemĦ motor esetén kétütemĦ motor esetén 10.22. ábra. DugattyúgyĦrĦk radiális nyomáseloszlása A dugattyúgyĦrĦk anyaga többnyire különleges öntöttvas. A gyĦrĦket túlnyomóan egyenkénti öntési eljárással öntik, mert így kopásálló perlit-szorbitos szövetszerkezetet kapnak. Ily módon a 70
10.22. ábrán látható radiális nyomáseloszlást érik el a hengerbe való beépítéskor. 10.6. DUGATTYÚCSAPOK A dugattyúcsap az erĘket viszi át a dugattyú és a hajtórúd között. Ezt betét vagy nitridálható acélból készítik, edzett és csiszolt felülettel. Az erĘk a dugattyúcsapot meghajlítják, oválissá deformálják, és nyírásra veszik igénybe. Méretezésekor nem a megengedhetĘ feszültségek, hanem a dugattyúagyban keletkezĘ deformációk az irányadók, mert onnan indulnak ki a dugattyú meghibásodásai. Ha a dugattyúcsap deformációit kis értéken tartjuk, akkor a feszültségek is a megengedhetĘ értékeknél kisebbek maradnak. A csap számításához a 10.23. ábrán vázolt egyszerĦsített terhelési esetet kell alapul venni.
10.23. ábra Dugattyúcsapra ható erĘk A csap külsĘ átmérĘjének elĘzetes meghatározása a tapasztalati módon történhet: Bentzinmotor esetén dk § 0,28 D; Diesel-motor esetén: dk § 0,4 D.
10.24. ábra. A dugattyúcsap megengedhetĘ behajlása és megengedhetĘ ovális deformációja A csap a terhelés következtében, annak irányában behajlik, ami nem lehet nagyobb egy megengedett mértéknél. A dugattyúcsap átmérĘje a terhelési irányra merĘleges terhelés hatására megnövekszik. Ez az ovális deformáció nem lehet nagyobb a 10.24. ábrán látható értékénél, hogy a dugattyúagy ne repedjen meg. 10.7. HAJTÓRÚD
71
A hajtórúd köti össze a dugattyút a forgattyútengellyel. A szárat nemesíthetĘ acélból, kör- vagy IkeresztmetszetĦre alakítják ki. A dugattyúcsap kenéséhez vagy dugattyúhĦtés esetén, a szárat az olajbevezetéshez hosszában keresztülfúrják. A hajtórúd hosszát a lehetĘ legrövidebbre választják, mert így a motor alacsonyabb lesz és anyagot (tömeget) takarítanak meg: benzinmotornál:
O
Diesel-motornál:
O
1 1 ~ ; 3,5 4 1 1 ~ . 3,7 4,2
10.25. ábra. Hajtórúd A felsĘ hajtórúdszemben helyezik el a dugattyúcsap-csapágyat és a szemet nem osztják meg. Az alsó hajtórúdszemet szerelési okokból osztani kell. Mivel szereléskor a hajtórudat a hengeren keresztül kell vezetni, azért vastag forgattyúcsapok esetén az alsó hajtórúdfejet ferdén célszerĦ osztani.
10.26. ábra. Vázlat a hajtórúd számításához A hajtórúdszárat a hajtórúderĘ nyomásra és húzásra veszi igénybe. A hajtórúdszemekben a feszültség eloszlása bonyolult, azért számításkor megelégszünk az összehasonlító feszültségszámításokkal. A mechanikából ismert egyenletek szerint, a hajtórúdszárat húzásra, nyomásra és nagy 72
rúdhosszak esetén kihajlásra is méretezik. 10.8. FORGATTYÚSTENGELY A forgattyústengelyen alakul át az alternáló mozgás forgó mozgássá. Anyaga acél vagy gömbgrafitos öntöttvas. Nagy (500 mm vagy nagyobb hengerátmérĘjĦ) motorok tengelyeit egyes részekbĘl zsugorkötéssel illesztik össze. Megkülönböztetünk olyan tengelyeket, amelyek fele részben összetettek és olyanokat, amelyek egészen összetettek. A fele részben összetett tengelyek esetén a tengelycsapokat zsugorkötéssel illesztik az egy darabból álló forgattyúkönyökbe (2 forgattyúkar és 1 forgattyúcsap). Ezzel szemben, a teljesen összetett forgattyústengelyeket csak egyes darabokból állítják össze. A tengelyeket nemesíthetĘ acélból készítik, amelynek szilárdsága 800 ~ 900 Nmm-2. A kisebb tengelyeket a csapágyazási helyeken lánggal vagy indukciósan edzik. A csapok és karok közötti átmeneteket is bevonják az edzési zónába, hogy ott az alakszilárdság fokozására saját nyomófeszültségeket hozzanak létre. Ezek a saját nyomófeszültségek hengerléssel vagy kovácsolással is elĘidézhetĘk. A gömbgrafitos öntöttvasból öntött tengelyek alakja jobban illeszthetĘ az erĘfolyamhoz, mint az acéltengelyeké. A gömbgrafitos öntvény jobban csillapítja a lengéseket, mint az acél, de kisebb a szilárdsága. Méretek megnevezése Forgattyúcsap átmérĘ TengelycsapátmérĘ Forgattyúcsap hossz Tengelycsap hossz Forgattyúkar vastagság D a hengerátmérĘ
Benzinmotor 0,65 D 0,8 D 0,3 D 0,32 D 0,28 D
Diesel-motor 0,7 D 0,75 D 0,3 D 0,35 D 0,3 D
10.1. Táblázat Tapasztalati forgattyústengelyek számításához Pontos szilárdsági számítás a forgattyústengelyekre nem végezhetĘ. A tengelyek igénybevétele olyan sokrétĦ — változó gáz- és tömegerĘk, csavaró- és hajlítólengések — és az erĘfolyam olyan bonyolult — formatényezĘk, bemetszési hatástényezĘk —, hogy csak egyszerĦsített számítási eljárással lehet dolgozni. Hajók diesel-motorjainak forgattyústengelyeit a biztosító társaságok szabályzatai szerint számítják, akik ezeket a motorokat próbajáratással veszik át.
10.27. ábra. Forgattyústengely A maximális gázerĘ körülbelül a felsĘ holtponti dugattyúhelyzetben alakul ki. A forgattyúcsapokat és forgattyúkarokat a gázerĘ hajlításra veszi igénybe. A gázerĘk által kifejtett hajlító nyomaték eloszlását szemlélteti a 10.29. ábra.
73
10.28. ábra. A forgattyústengely méretei
10.29. ábra GázerĘk következtében keletkezĘ hajlítónyomaték eloszlása 10.8. SZELEPEK A szelepeket üzem közben igen nagy igénybevételek érik. A szívószelep hĘmérséklete 300 ~ 500 °C, de ez a szelep kerületén egyenlĘtlenül oszlik meg, ami azt hullámossá teszi és nagy mechanikai igénybevételt okoz. A kipufogószelep 600 ~ 800 °C hĘmérsékletre melegszik fel, és ehhez járul még a mechanikai igénybevétel és a korróziós hatás is. A kipufogószelep hĘárameloszlását a 10.30. ábrán láthatjuk.
10.30. ábra Kipufogószelep izotermái (°C) és a hĘáramlás iránya Ha nagy melegszilárdságú szelep szükséges, akkor ausztenites acélból kell készíteni, amelynek azonban lényegesen rosszabb a hĘvezetése, mint a martenzites acéloké. Ezt úgy lehet kiküszöbölni, ha az üreges kialakítású szelepet nártriumhĦtéssel látják el (10.31b ábra). Így a szeleptányér 74
hĘmérséklete 80 ~ 100 °C-kal csökkenthetĘ. Az üreges szelepszárat 60 %-ban fémnátriummal töltik meg, amely körülbelül 100 °C-nál cseppfolyóssá válik, majd 880 °C körüli hĘmérsékleten elpárolog, és elĘsegíti a tányértól a szárhoz való hĘszállítást, a szár pedig a hĘt a szelepvezetĘnek adja át. A kipufogószelepet csak nagy hĘállóságú és revésedésnek ellenálló, erĘsen ötvözött (nem önedzĘ) acélokból lehet készíteni. Gyakori, hogy a szelepszár króm-nikkel-molibdén acél, amelyhez tompahegesztéssel kapcsolódik a krómnikkel-mangán ötvözetû szeleptányér (10.31 c ábra). A koptató hatásnak kitett felületeket, a szelepszár végét és a szelepüléseket keményfém réteg felrakásával (sztellit-fémszórás) vagy hĘkezeléssel keményítik (10.32. ábra).
10.31. ábra Szelepkialakítások a — tulipán-szívószelep; b — nátriumtöltésû kipufogószelep; tompahegesztéssel készült kipufogószelep
c
10.32. ábra A koptató hatásnak is kitett szeleprészek keményítése a — szeleptányér; b — szelepvég.
75
—
kétféle
anyagból
11. A BELSėÉGÉSĥ MOTOROK FėBB JELLEMZėI ÉS FAJLAGOS MUTATÓI 11.1. A MOTOR INDIKÁLT JELLEMZėI A belsĘégésĦ motor hengerében lejátszódó nyomásváltozások érzékelésére és rögzítésére szolgálnak az indikátorok. Az indikátorokkal a hengerben végbemenĘ nyomásváltozást általában a forgattyú szögelfordulásának függvényében veszik fel, és a hengertérfogat (p–V), a löket (p–s) vagy a forgattyúszög (p–ij) függvényében ábrázolják. Mivel a hengertérfogat arányos a dugattyú elmozdulásával, a p–V és a p-s diagramok ábrája azonos jellegĦ. NégyütemĦ motor dugattyúelmozdulás függvényében ábrázolt indikátordiagramja a 11.1., szögelfordulás függvényében ábrázolt indikátordiagramja pedig a 11.2. ábrán látható.
11.1. ábra Dugattyúelmozdulás függvényében felvett (p–s) indikátordiagram (az ábra alsó részén szögjelek láthatók, 10° forgattyús-szög elfordulásonként)
11.2. ábra Forgattyúszög-elfordulás függvényében felvett (p–ij) indikátordiagram A — gyújtás (befecskendezés); B — az égés kezdete; C — csúcsnyomás; Ĭ1 — gyulladási késedelem; ĬII — nyomásnövekedési fázis. A forgattyús mechanizmus jellemzĘinek ismeretében, a két diagram egyikébĘl a másik megszerkeszthetĘ. Más jellegĦ a kétütemĦ motorok égésterének indikátordiagramja. Ezekben a töltetcsere a dugattyú alsó holtponti helyzetének környezetében játszódik le. A forgattyúház-sĦrítésĦ kétütemĦ motorok tanulmányozásához elengedhetetlen a forgattyúházban végbemenĘ folyamat ismerete, ami ugyancsak indikátordiagrammal, úgynevezett forgattyúház indikátordiagrammal jellemezhetĘ. A lefelé mozgó dugattyú szoknyájának alsó éle zárja a szívórést, a forgattyúházban végbemegy az elĘsĦrítés. Nyílik az átömlĘ csatorna, ekkor már a hengerben a kipufogás megkezdĘdött. Az átömlés folyamata után a forgattyúház térfogata nĘ, a nyomás az atmoszferikus érték alá csökken. Nyílik a szívórés, és megkezdĘdik a friss levegĘ beáramlása a forgattyúházba. 76
4 4
Az egymást követĘ munkafolyamatok eltérĘek egymástól, melynek legfontosabb okai: az égéstérbe az egymást követĘ ciklusokban eltérĘ mennyiségĦ tüzelĘanyag kerül; az égésfüggvény függ a tüzelĘanyag-levegĘ keverék homogenitásától.
Ionszondás eljárással kimutatható, hogy az égéstér adott helyén az égési sebesség ciklusról ciklusra változik. A keverék szegényítésével a diagramterület szórása nĘ. Nagyszámú indikátordiagram kiértékelésébĘl megállapították, hogy az indikátordiagram területek normál eloszlásúak. Indikátordiagram nyomás- és hĘmérsékleti jellemzĘit a 11.1. táblázat adja meg. Megnevezés SĦrítési arány SĦrítési végnyomás pc SĦrítési véghĘmérséklet Tc Égési csúcsnyomás pmax Égési csúcshĘmérséklet Tmax
Benzinmotorok 7 ~ 9, max. 12 1 ~ 1,6 MPa 350 ~ 450 °C 4 ~ 7 MPa 2500 °C
Dízelmotorok 15 ~ 24 3 ~ 5,5 MPa 550 ~ 700 °C 6 ~ 10 MPa 2000 °C
11.1. Táblázat Indikátordiagram nyomás- és hĘmérsékleti jellemzĘi 11.2. AZ INDIKÁLT KÖZÉPNYOMÁS Az indikált középnyomás a p-V indikátordiagram hasznos területének közepes magassága (11.3. ábra). Az indikátordiagram hasznos területe az indikált munka egy ciklusra esĘ értékét adja. Ezt az indikált munkát osztva a henger lökettérfogatával, kapjuk az indikált középnyomást:
pi ahol: Wi — — vh
Wi . vh
[Jm-3] [Nm-2]
.
(11.1)
az indikált teljesítmény; lökettérfogat.
11.3. ábra Az indikált középnyomás származtatása Az indikált középnyomás úgy is felfogható, mint az egységnyi lökettérfogatból származó indikált munka. Az indikátordiagram ismeretében az indikált munka területméréssel határozható meg. Feltöltetlen két- és négyütemĦ motorok töltetcsere-folyamatának területe negatív elĘjelĦ. Az indikált középnyomás szokásos értékeit a 11.2. Táblázat tartalmazza. Az indikált középnyomás a motor terhelésével változik, legkisebb értékét a motor üresjáratában veszi fel, ekkor az indikált munka csak a súrlódás és a segédberendezések energiaszükségleteit fedezi.
77
Motor típus négyütemĦ szikragyújtású benzinmotor négyütemĦ szikragyújtású gázmotor négyütemĦ dízelmotor négyütemĦ feltöltött dízelmotor kétütemĦ, forgattyúház-sĦrítésĦ benzinmotor kétütemĦ dízelmotor feltöltés nélkül kétütemĦ dízelmotor feltöltéssel
Indikált középnyomás [kPa] 700 ~ 1300 600 ~ 1000 650 ~ 1200 2500 250 ~ 450 500 ~ 700 1200
11.2. Táblázat Indikált középnyomás értékek 11.3. BELSėÉGÉSĥ MOTOROK HATÁSFOKAI 4
Termikus hatásfok:
Az Șt termikus hatásfok az elméletileg nyert munka viszonyát fejezi ki a munka elvégzéséhez szükséges bevezetett hĘmennyiséggel. Meghatározása a különbözĘ elméleti körfolyamatokat ismertetĘ 2. fejezetben olvasható. 4
Jósági hatásfok:
Megmutatja, hogy a motor mennyire képes az elméleti munkafolyamatot megvalósítani. A motor indikátorral mért belsĘ munkájának és az elméletileg számított munkának arányával fejezhetĘ ki:
Wi Wh
Kj
.
(11.2)
Értéke bevált konstrukcióknál: 0,80 ~ 0,92. 4
Indikált hatásfok:
Az indikált hatásfok az indikátor diagramból meghatározott munka és az elvégzéséhez bevezetett hĘmennyiség hányadosa, a termikus hatásfok és a jósági hatásfok szorzata.
Ki ahol: Bt — H — t — 4
Wi Bt Ht
K tK j
,
(11.3)
az idĘegység alatt elfogyasztott tüzelĘanyag mennyiség [kgs-1]; a tüzelĘanyag fĦtĘértéke [kJkg-1]; a munkavégzés idĘtartama [s].
Mechanikai hatásfok:
Ez a hatásfok a motor mechanikai veszteségeire utal. A motor fĘtengelyén mért, fékezéssel megállapított tényleges munka (teljesítmény) indikált munkához (teljesítményhez) viszonyított aránya:
Km
We Wi
,
(11.4)
Értéke benzinmotoroknál: 0,75 ~ 0,85; dízelmotoroknál: 0,76 ~ 0,82.
4
Effektív hatásfok:
A motor fĘtengelyén fékezéssel nyert tényleges munka és a munkavégzéshez szükséges hĘmennyiség 78
aránya. A mechanikai hatásfok mellett gyakorlati jelentĘsége a legnagyobb, mivel a motor összes veszteségeit kifejezi. Ily módon megadja, hogy egységnyi munka elvégzéséhez mennyi kémiai energiát, azaz mennyi tüzelĘanyagot kell felhasználni. A meghatározására szolgáló összefüggés a fenti definíciónak megfelelĘen:
Ke
We Bt Ht
KtK jK m
.
(11.5)
A gazdasági hatásfok átlagos értékei a napjainkban alkalmazott karburátoros benzinmotoroknál 0,22 ~ 0,28; dízelmotorok esetén 0,26 - 0,36. 4
Volumetrikus hatásfok:
A volumetrikus hatásfok az a viszonyszám, mely megmondja, hogy a rendelkezésre álló VH lökettérfogat hány százalékát tölti ki a hengerbe bejutott VH' levegĘ, illetve keverék:
Kv
Vh' Vh
.
(11.6)
Értéke szívó, karburátoros motoroknál 0,82 ~ 0,87; Dízelmotoroknál 0,85 ~ 0,92. A henger volumetrikus hatásfokának meghatározásakor a térfogatértékeket viszonyították egymáshoz. E viszonyszámnak gyakorlati jelentĘsége nem nagy, hiszen a motor teljesítménye elsĘsorban a beszívott közeg tömegétĘl függ. Ezért a térfogatarány helyett a megfelelĘ tömegarányt célszerĦ meghatározni. A töltés mértékének pontosabb jellemzésére vezették be a töltési fokot, mely már figyelembe veszi a harmadik állapotjelzĘ, a közeghĘmérséklet változását is. 4
Töltési fok:
A töltési fok a hengerbe beáramlott közeg mf tömegének a viszonya a lökettérfogatot kitöltĘ me tömeghez, amit fizikai normál állapoton (0 °C hĘmérsékleten és 101325 Pa nyomáson), vagy a környezĘ levegĘ állapotában vesznek figyelembe:
Ot
mf me
.
(11.7)
A töltési fok függ a motor fordulatszármától, a szelepátömlési keresztmetszettĘl, a vezérlés fázisaitól, a friss töltet hĘfokemelkedésétĘl. A dízelmotorok töltési foka lényegesen jobb, mint a benzinmotoré. Ennek oka részben a dízelmotorok alacsonyabb fordulatszáma, részben a bĘvebb szívócsatorna és a nagyobb szelep kialakítás. 11.4. MOTOR JELLEGGÖRBÉK A belsĘégésĦ motorok fékpadi vizsgálatánál mérik az egyes jellemzĘk — teljesítmény; forgatónyomaték; tüzelĘanyag fogyasztás; fordulatszám, stb. — értékeit, és ezek változását, egymáshoz való viszonyát diagramban ábrázolják. A belsĘégésĦ motorokat jellemzĘ görbék sorozatának egyik legfontosabb tagja az úgynevezett fordulatszám-jelleggörbe. Ez bemutatja az effektív motorteljesítmény, az idĘegységre jutó tüzelĘanyag-fogyasztás, a fajlagos fogyasztás, a forgatónyomaték, valamint egyéb paraméterek változását a motor fordulatszámának függvényében (11.4. ábra) dízelmotoroknál állandó fogaslécállásnál, karburátoros motoroknál pedig teljesen nyitott fojtószelepnél. A valóságban a motor csak egy minimális fordulatszám felett mĦködĘképes. Ennél kisebb fordulatszámnál porlasztós motoroknál olyan kicsi a légáram sebessége, hogy elégtelenné válik a porlasztás, dízelmotoroknál pedig a sĦrítési végnyomás és hĘmérséklet lesz olyan kicsi, hogy ennek következtében mĦködképtelenné válik a motor. Ezért sem a teljesítmény, sem pedig a nyomaték változását ábrázoló görbék nem a koordinátarendszer kezdĘpontjából indulnak ki, hanem a mĦködĘképességhez szükséges minimális fordulatszámtól. A karburátoros benzinmotorok valóságos nyomatékgörbéje domborúbb, a dízelmotoroké pedig 79
laposabb. Mindezeknek elsĘsorban konstrukciós okai vannak. A motor forgatónyomatékának változását benzinmotoroknál a fojtás mértéke szabja meg. A dízelmotorok mindig légfelesleggel dolgoznak. Ezzel szemben itt szerepe van a fordulatszám-görbe jellegének alakulásában az adagolószivattyú tökéletlen mĦködésének. Rögzített fogaslécállás mellett csökkenĘ fordulatszámnál ugyanis csökken a befecskendezĘ szivattyú szállítása és az egy munkafolyamatra jutó töltés mennyisége. Ezzel egyidejĦleg javul a volumetrikus hatásfok, ami a légfelesleg növekedĘsét váltja ki. Ily módon, ha változik is a fordulatszám értéke, ez az effektív középnyomást, és a motor forgatónyomatékát alig változtatja meg. A nyomatékgörbe változásának jellege a motor rugalmasságának mértékét jelzi.
11.4. ábra Motor jelleggörbék A rugalmasság a belsĘégésĦ motorok azon sajátossága, miszerint bizonyos fordulatszám határok között a fordulatszám csökkenésével csökken a motor teljesítménye, de nĘ a motor nyomatéka, és ezzel lehetĘvé teszi — sebességváltás nélkül — a kisebb átmeneti terhelések legyĘzését. A motor rugalmasságát úgynevezett rugalmassági tényezĘvel jellemzik. Ez a maximális nyomaték és a maximális teljesítményhez tartozó nyomaték hányadosa:
K
M max M P max
.
(11.8)
Értéke benzinmotoroknál 1,15 ~ 1,3; dízelmotoroknál 1,05 ~ 1,15. Az ily módon definiált rugalmassági tényezĘt csak az úgynevezett stabil motoroknál használják. GépjármĦmotorok rugalmasságának a jellemzésére a nyomatékok viszonyát meg kell szorozni a hozzájuk tartozó fordulatszámok viszonyával is. Ezt a jármĦ viszonylag nagy haladási sebessége indokolja, ezért a fordulatszám-, illetve sebességcsökkenéssel járó nyomatéknövekedés itt kihasználható. Így a rugalmassági tényezĘ a gépjármĦ motoroknál a következĘ:
K
M max n P max M P max n M max
,
ahol: nPmax — a maximális teljesítményhez tartozó fordulatszára [s-1]; a maximális nyomatékhoz tartozó fordulatszám [s-1]. nMmax — Értéke benzinmotorok esetén 2,2 ~ 2,4; Dízelmotorok esetén pedig 1,5 ~ 1,8.
80
(11.9)
11.5. BELSėÉGÉSĥ MOTOROK HėMÉRLEGE A munkaciklus elemzésébĘl látható, hogy a belsĘégésĦ motor a tüzelĘanyaggal bevezetett hĘenergiának csak meghatározott hányadát képes hasznos munkává átalakítani. A hĘmérleg szemléletes képet ad a motoron belüli hĘátalakulási folyamatokról a 11.5. ábrán látható diagram.
11.5. ábra BelsĘégésĦ motor energiahasznosítása (Sunkey diagram) Az ábrán látható számadatok teljes terheléssel, névleges fordulatszámon üzemelĘ vízhĦtéses benzinmotorra, személygépkocsi-dízelmotorra (a zárójelen belüli elsĘ adat) és tehergépkocsi dízelmotorra (a zárójelen belüli második adat) vonatkoznak. Az A ág az égéstérben visszamaradó gázok energiája és az égéstermékekbĘl a friss keveréknek átadott hĘmennyiség, a B ág a friss keveréket a hengerfal közvetítésével elĘmelegítĘ hĘenergia. E két hĘmennyiség nem tekinthetĘ hĘveszteségnek, hiszen ismételten visszakerül a folyamatba. C-vel jelöltük az égéstermékekbĘl a hĦtĘközegnek átadott hĘmennyiséghányadot, D-vel a súrlódási munka hĘegyenértékének hĦtĘközeggel elvezetett hányadát. E a kipufogócsĘ, F a hĦtĘvízköpeny és hĦtĘvízcsövek, G a nem hĦtött felületek (például olajteknĘ) hĘsugárzása. A belsĘ átalakulásokat figyelmen kívül hagyva, a tüzelĘanyaggal idĘegység alatt bevezetett Q1 hĘenergia a következĘ részekre oszlik: a motor tényleges teljesítménye; Qe = Pe a hĦtĘközeggel elvezetett hĘmennyiség Qh = mhchǻt (mh a hĦtĘközeg tömegárama; ch fajhĘje; ǻt felmelegedése a motorban) ; a kipufogó gázokkal távozó hĘmennyiség, az égéstermékek és a friss töltet Qg entalpiájának különbsége; az a hĘveszteség, amely az Į < 1 légviszony esetén a tüzelĘanyag tökéletlen égésébĘl QĮ származik (Į 1-nél QĮ = 0); az egyenlet maradék tagja, amely a nehezen meghatározható hĘveszteségeket QS tartalmazza. Ezt általában sugárzási veszteségnek hívják, mert ez a maradék tag legnagyobb része. A motor idĘegység alatti hĘenergia-egyensúlyát az ismertetett jelölésekkel a következĘ, általános alakú egyenlet írja le: Q1 Qe Qh Q g QD Qs . (11.10) A 11.6. ábra benzinmotor hĘenergiáinak eloszlását szemlélteti a bal oldali ábrarészen, teljes terhelésnél, a fordulatszám függvényében. A fordulatszám növelésével a hasznos munkahányad kissé nĘ, majd csökken. A hĦtĘvízzel elvezetett hĘmennyiséghányad csökken, viszont a kipufogógázokkal elvezetett hĘmennyiséghányad növekszik. qĮ értéke a közepes fordulatszámokon a legnagyobb. A jobboldali ábra a hĘmérleget a terhelés függvényében szemlélteti.
81
11.6. ábra Benzinmotor hĘmérlege
11.7. ábra Feltöltött dízelmotor hĘmérlege Feltöltött dízelmotor hĘmérlege látható a 11.7. ábrán. A baloldali, a terhelés függvényében ábrázolt diagramból kiolvasható, hogy a hasznos munkahányad teljes terhelésnél 36%, és a terhelés 50 %-os csökkentéséig ez az érték csak 2%-kal lesz kisebb. A kipufogógázokkal távozó hĘmennyiség ennek megfelelĘen 39 %-ról 33 %-ra csökken. A jobboldali ábra a hĘmérleg fordulatszámfüggését szemlélteti. A 11.3. Táblázat névleges terheléssel, névleges fordulatszámon üzemelĘ motorok hĘmérlegét foglalja össze. Motortípus Benzinmotor Dízelmotor feltöltés nélküli feltöltéses
Qe = Șe % 21 ~ 33
Qh % 12 ~ 27
qg % 30 ~ 55
qĮ % 0 ~ 45
qs % 3 ~ 10
29 ~ 42 35 ~ 45
15 ~ 35 10 ~ 25
25 ~ 45 25 ~ 40
0~5 0~5
2~5 2 ~5
11.3. Táblázat Motorok hĘmérlege
82
12. A DUGATTYÚS BELSėÉGÉSĥ MOTOR KINEMATIKÁJA A dugattyús belsĘégésĦ motor mozgásátviteli eleme a dugattyú, a hajtórúd és a forgattyústengely. A dugattyú vezetĘpályája a henger. A forgattyústengelyt a forgattyúházba csapágyazzák. A gázok nyomóereje a dugattyú felületére hat, és az így keletkezĘ erĘt a hajtórúd adja át a forgattyústengelynek, így az erĘ forgatónyomatékká alakul át. A forgattyústengely feladata, hogy a dugattyú alternáló mozgását forgómozgássá alakítsa át. 12.1. A DUGATTYÚ MOZGÁSVISZONYAI A dugattyú a holtpontok között nem egyenletes, hanem gyorsuló mozgást végez. A forgattyústengely viszont állandó szögsebességgel forog. A dugattyúrúd mozgása a dugattyú és a forgattyústengely mozgásából tevĘdik össze. A dugattyúnak a felsĘ holtponti helyzetétĘl mért pillanatnyi távolságát dugattyúútnak nevezzük, ami a forgattyúszög függvényében az: x l r l cos E r cos D (12.1) egyenlettel határozható meg (12.1. ábra)
12.1. ábra A dugattyúút meghatározása Felhasználva az:
l sin E
r sin D
(12.2)
összefüggést, illetve bevezetve a
r l
(12.3)
arcsin O sin D
(12.4)
O hajtórúdviszonyt, akkor a
E és a
1 O2 sin 2 D
cos E
(12.5)
összefüggéseket kapjuk. Így írhatjuk fel a dugattyúút egyenletét az alábbi, kívánt formában:
x
r (1 cos D ) l 1 1 O2 sin 2 D
. (12.6) A számítás ezzel a képlettel a gyökkifejezés miatt nehézkes, ezért — a levezetés mellĘzésével — a dugattyúút közelítĘ egyenlete:
x
O § · r ¨1 cos D sin 2 D ¸ 2 © ¹
.
(12.7)
A pillanatnyi, azaz a valódi dugattyúsebességet a dugattyúút (12.7) egyenletébĘl kapjuk meg, felhasználva, hogy a dugattyúút csak a forgattyúszög függvénye, azért a láncszabály szerint deriválva:
83
v
§ ©
Zr ¨ sin D
O
· sin 2D ¸ 2 ¹
.
(12.8)
A dugattyúgyorsulás hasonló módon adódik a dugattyúsebességbĘl:
a
Z 2 r cos D O cos 2D
(12.9) A dugattyúgyorsulást gyakran a dugattyúút függvényében is meg kell határozni. Ennek a feladatnak a numerikus megoldása körülményes, ezért grafikus közelítĘ eljárást elĘnyös alkalmaznunk. KözelítĘ megoldásnak parabolát veszünk fel. A módszert a 12.2. ábra szemlélteti.
12.2. ábra A dugattyúgyorsulás meghatározása ElĘször megfelelĘ tengelyléptékeket választunk. Ezután felsĘ holtpontból (FHP) felmérjük fölfelé az a FHP Z 2 r O 1 (12.10) és az alsó holtpontból (AHP) lefelé az a AHP Z 2 r O 1 (12.11) értéket. Az A és B pontokat összekötjük és így megkapjuk a C pontot, az összekötĘ egyenes és az abszcissza tengely metszésében. Ebben a pontban lefelé mérjük fel a 3Z 2 rO (12.12) hosszúságú szakaszt és megkapjuk a D pontot. Most az A— D és D— B távolságot azonos számú egyenközĦ szakaszokra osztjuk és a pontokat megszámozzuk. Az azonos számozású pontok összekötésével burkológörbeként megkapjuk a gyorsulási görbét. 12.2. TÖMEGERėK A tömegek változó mozgása következtében tömegerĘk keletkeznek. Ezen tömegerĘk a löketdugattyús gépben csak részben egyenlítĘdnek ki. A tömegerĘket ilyenkor ellenerĘk egyenlítik ki. A tömegerĘk periodikusan változnak, ezért a ki nem egyenlített tömegerĘk környezetünkre rezgésgerjesztĘként hatnak. Ezért a konstruktĘröknek mindig arra kell törekedni, hogy a tömegerĘket minél tökéletesebben kiegyenlítsék. A tömegerĘknek azonban nemcsak hátrányos hatásuk van, a dugattyún a gázerĘ ellen mĦködĘ tömegerĘk tehermentesítik a hajtómĦvet. Megkülönböztetünk forgó és alternáló tömegerĘket. A forgó tömegerĘk centrifugális erĘ néven is ismertek, és tömegek egyenletes körmozgásakor keletkeznek. A forgó tömegerĘk kiszámításához általánosan a következĘ egyenletet alkalmazzuk: Fc mr rZ 2 , (12.13) Az alternáló tömegerĘket a váltakozó dugattyúmozgás idézi elĘ. Ezeket az erĘket —általános esetben — a következĘ módon számítjuk ki:
84
Fa
ma a
, (12.14) Ha a (12.9) egyenlettel megadott dugattyúgyorsulást behelyettesítjük, akkor az alternáló tömegerĘre a következĘ egyenlettel határozhatjuk meg: Fa maZ 2 r cos D cos 2D . (12.15) Egy löketdugattyús gép esetében a forgó tömeg a forgattyúcsap, a forgattyúkar és a hajtórúd forgó tömegrésze (12.3. ábra). A hajtórúd forgó tömegrészét a következĘ megfontolással kapjuk meg. A hajtórúd súlypontjának mozgása egyszerĦ számítással nem állapítható meg. Ismertek a hajtórúdvégek mozgásai. A hajtórúd felsĘ vége, amelyet a dugattyúcsap köt össze a dugattyúval, alternáló mozgást végez. A dugattyúrúd alsó vége a forgattyúcsappal a forgattyústengely középvonala körül forog. A hajtórúd tömegét két pontra redukáljuk. Az egyik pont a dugattyúval ide-oda mozog, a másik a forgattyúcsappal forog. Ahhoz, hogy ennek a helyettesítĘ hajtórúdnak a mechanikai viselkedése megközelítĘen ugyanaz legyen, mint a valódi hajtórúdé, a következĘ egyenleteknek kell érvényeseknek lenniük: m h m h1 m h 2 ; (12.16a)
m h1 a
mh 2 b
.
(12.16b)
12.3. ábra. HelyettesítĘ hajtórúd meghatározása A fenti két képletbĘl a következĘ összefüggést kapjuk:
m h1 mh 2 ahol: mh1 —
mh b l m h m h1
;
(12.17a)
.
(12.17b)
a hajtórúd forgó tömegrésze.
A löketdugattyús gép forgó tömegeinek súlypontjai különbözĘ távolságokra találhatók a forgásponttól. Azért minden tömeget az r dugattyúsugár távolságára redukálunk. Ilyenkor a valódi tömeg helyett az úgynevezett helyettesítĘ tömeggel számolunk. Ennek a helyettesítĘ tömegnek akkorának kell lennie, hogy ugyanazt a centrifugáliserĘt idézze elĘ, mint a valódi tömeg. A helyettesítĘ (redukált) tömeget a következĘ módon határozhatjuk meg:
mH ahol: x — r —
mx
x r
,
(12.18)
a valódi tömeg távolsága a forgásponttól, a helyettesítĘ tömeg távolsága a forgásponttól.
A forgó tömegek közül a forgattyúcsap és a hajtórúd forgó része a forgásponttól r távolságra 85
van, ezért ezeket nem kell redukálni. A karok tömegét viszont redukálni kell. A kar redukált (helyettesítĘ) tömege:
m KH
mk
x r
.
(12.19)
A löketdugattyús gép forgó tömegerejének az egyenlete a következĘ:
Ft
x· 2 § ¨ mcs mh1 2mk ¸rZ r¹ ©
.
(12.20)
Az alternáló tömegek az egész dugattyútömegbĘl (dugattyú, dugattyúgyĦrĦk, dugattyúcsap) és a hajtórúd tömegének mh2 alternáló részébĘl állanak. Az alternáló tömegerĘt a következĘ egyenlettel számítjuk ki: Fa m D mh 2 rZ 2 cos D O cos aD . (12.21) 12.3. A HAJTÓMĥBEN HATÓ ERėK A dugattyúra a gáz- és a tömegerĘk eredĘje hat. Ezt az erĘt az
FN
F tg E
(12.22)
FH
F cos E
(12.23)
normális erĘre és az
hajtórúderĘre bonthatjuk fel.
12.4. ábra. A löketdugattyús gépben ható erĘk A normális erĘ a hengerfalat terheli. Arra kell ügyelni, hogy a dugattyú és a fal között a felületi nyomás ne legyen nagyobb a megengedett értéknél. A hajtórúderĘ a hajtórudat veszi igénybe és a forgattyúcsapon az FR FH cos D E (12.24) radiális erĘre és az FT FH sin D E (12.25) tangenciális erĘre bontható fel. A radiális erĘ és a tangenciális erĘ a forgattyústengelyt és a csapágyakat veszi igénybe. A tangenciális erĘ a forgattyústengelyen az M T FT r (12.26) forgatónyomatékot hozza létre. Ez a forgatónyomaték a motor hasznos forgatónyomatéka. Reakció- és megtámasztó nyomatékát az FN normális erĘ hozza létre.
86
12.4. TANGENCIÁLIS ERėDIAGRAM A tangenciális erĘ a dugattyún ható gáz- és tömegerĘtĘl függ, ezért elĘször ezeket kell megállapítanunk. A gázerĘt az indikátordiagram segítségével kapjuk meg. Az indikátordiagramot az ordinátalépték megváltoztatásával gázerĘ-út diagrammá alakítjuk át. A gázerĘ ugyanis a p gáznyomás és az A dugattyúfelület szorzata. Abban az esetben, amikor az indikátordiagramban a nyomást abszolút értékben rajzoljuk fel, az abszcisszatengely a környezeti nyomás vonalában legyen. A gázerĘ-út diagramban az alternáló tömegerĘt ellentétes elĘjellel rajzoljuk be. Ilyenkor a 12.2. ábrán vázolt parabolaszerkesztést alkalmazzuk. Ebben a szerkesztésben csak a berajzolt gyorsulási értékeket kell szorozni az alternáló tömeggel.
12.5. ábra KövetkezĘ lépésként megrajzoljuk a hajtórúdhossz távolságában a forgattyúkört a dugattyúútlépték betartásával az erĘ-út diagram mellé (12.5b. ábra). Most minden egyes forgattyúszöghöz a tan
87
genciális erĘ szerkesztésének menete: 1. A felvett forgattyúszöget berajzoljuk a forgattyúkörbe. 2. Az ehhez a forgattyúszöghöz tartozó dugattyúhelyzetet meghatározzuk. Ehhez a forgattyúkörnek a forgattyúszöghöz tartozó pontja körül, a hajtórúdhosszal, mint sugárral körívet rajzolunk, és metszésbe hozzuk az abszcissza tengellyel. (Adott vizsgálat esetén a fenti két lépés fordítva is elvégezhetĘ.) 3. Ebben a metszéspontban kapjuk meg a gáz- és tömegerĘ eredĘjét. A két görbe közötti szakaszkülönbséget nyílként vesszük le, amelynek kiindulópontja mindig a tömegerĘ görbén van. 4. Ezt a nyilat berajzoljuk a forgattyúkörön. Ha a nyíl hegye fölfelé mutat, akkor a nyilat a forgattyúkörtĘl befelé rajzoljuk. Ha az erĘ-út diagramban a nyíl iránya lefelé mutat, akkor a nyilat a forgattyúkörtĘl kifelé rajzoljuk fel. 5. A forgattyúkör ábrán a nyílhegynél a vízszintes tengelyre egy merĘlegest húzunk, amíg az a meghosszabbított hajtórúd vonalát nem metszi. Ez a merĘleges a keresett tangenciális erĘ. A merĘlegest ugyancsak nyílként ábrázoljuk. Hegye mindig a hajtórúdon, illetve a meghosszabbított hajtórúdon van. Ha a nyíl fölfelé irányul, akkor ez pozitív, azaz a forgásirányba ható tangenciális erĘt jelent. 6. A tangenciális erĘt most a tangenciális erĘdiagramban a hozzá tartozó forgattyúszög függvényében rajzoljuk be. Ha ilyenkor a nyílhosszat közvetlenül a forgattyúkör ábrából vesszük át, akkor a tangenciális erĘdiagram erĘléptéke ugyanaz, mint az erĘ-út diagramé. A tangenciális erĘdiagramot azonban más léptékben is megrajzolhatjuk. A tangenciális erĘdiagram abszcisszatengelyére természetesen új léptéket kell megállapítani. Annak bizonyítéka, hogy a grafikon módszer a tangenciális erĘ meghatározásához helyes, a 12.6. ábrán látható. Az itt ismertetett grafikus eljárással meghatározott diagram egy henger tangenciális erĘjének alakulását ábrázolja. Többhengeres motorok esetén pontosan úgy járunk el, ahogy az elĘzĘekben leírtuk, mivel valamennyi henger diagramja elméletileg azonos. Forgattyúszögeik szerint egymáshoz képest eltolva szerelik, ezért elĘször megrajzoljuk az összes diagramot és azokat azután szuperponáljuk a motor teljes tangenciális erĘdiagramjává.
12.6. ábra Bizonyítás a tangenciális erĘ meghatározásához 12.5. EGYENLėTLENSÉGI FOK ÉS A LENDÍTėKERÉK A dugattyús motor forgatónyomatéka nem állandó. A motorral hajtott géphez azonban állandó forgatónyomaték kell. Például egyenáramú generátor esetén a változó forgatónyomaték fordulatszámés feszültségingadozásokat okozna. A forgatónyomaték görbe kiegyenlítésére lendítĘkereket alkalmazunk. Ez energiatárolóként mĦködik és a fordulatszámot megközelítĘen állandó értéken tartja. Ha a motor forgatónyomatéka nagyobb, mint a közepes forgatónyomaték, akkor a fordulatszám kissé megnövekszik és a lendítĘkerék energiát vesz fel. Amikor a motor forgatónyomatéka kisebb lesz, mint a közepes forgatónyomaték, akkor a fordulatszám csökken és a lendítĘkerék energiát ad le. Ahhoz, hogy a lendítĘkerék egyáltalában energiatárolóként mĦködhessék, fordulatszám-ingadozásnak megengedhetĘnek kell lennie. A fordulatszám-ingadozás nagysága tapasztalati érték és a hajtott géptĘl függ. Kis fordulatszám esetén az azonos mértékĦ fordulatszám-ingadozás hátrányosabb hatású, 88
mint nagy fordulatszám esetében, ezért a tapasztalati értéket a fordulatszám-ingadozás és a közepes fordulatszám arányaként adjuk meg. Ezt az arányt į egyenlĘtlenségi foknak nevezzük. Meghatározásához a fordulatszám helyett legtöbbször — vele analóg — szögsebességet használjuk:
Z max Z min Zk
G ahol: Ȧmax — Ȧmin — — Ȧk
.
(12.27)
egy munkaütem alatti legnagyobb szögsebesség; egy munkaütem alatti legkisebb szögsebesség; egy munkaütem alatti közepes szögsebesség (számtani középérték):
Zk
Z max Z min 2
,
(12.28a)
vagy:
Zk
2Sn
. A megengedhetĘ egyenlĘtlenségi fok gépjármĦmotor esetén: 1 : 200. A lendítĘkerékben tárolt energia a következĘ módon határozható meg:
E ahol: Ĭ —
4 2 2 Z max Z min 2
(12.28b)
(12.29)
a lendítĘkerék tehetetlenségi nyomatéka.
A lendítĘkerékben tárolandó energiát a következĘ, grafikus módon is meghatározhatjuk: A tangenciális erĘdiagramba berajzoljuk az FTk közepes tangenciális erĘt. Mivel a tangenciális erĘdiagramban a tangenciális erĘt az út függvényeként ábrázoljuk, ezért a területek munkát jelentenek. Megszámláljuk a közepes tangenciális erĘ felett és alatt levĘ összes területet, azaz meghatározzuk a területek nagyságát. Most a területeket, egy lépték megállapítása után, vektorokként egymás mellé helyezzük. Ilyenkor a közepes tangenciális erĘ vonala felett elhelyezkedĘ területek nyila fölfelé mutat. Ekkor ennek a nyílfolyamnak a legfelsĘ és legalsó nyila közötti távolság megfelel a lendítĘkerékben tárolandó energiának
12.7. ábra. Az tárolt energia meghatározása Ennek az eljárásnak a következĘ megfontolás az alapja: a hajtott géphez állandó, azaz közepes tangenciális erĘ szükséges. Ha a motor tangenciális ereje nagyobb, mint a közepes, akkor a lendítĘkerék gyorsul, energiát vesz fel. Az elĘzĘleg ismertetett módszerrel pontosan azt az energiát kapjuk meg, amelyet a lendítĘkeréknek Ȧmin és Ȧmax között tárolnia kell.
89
12.6. TÖMEGKIEGYENLÍTÉS A tömegerĘk rezgéseket gerjeszthetnek, mert periodikusan változnak. Ezek a rezgések hátrányosan hatnak a motor felfüggesztésére és környezetére, ezért a konstruktĘröknek gondolniuk kell a jó tömegkiegyenlítésre. Többhengeres motorokban a tömegerĘkön kívül, az azokból származó nyomatékok is keletkeznek. Tömegkiegyenlítésen azt a konstrukciós tevékenységet értjük, amely során a forgattyúkönyökök megfelelĘ elrendezésével és a forgattyústengelyre ellentömegek felszerelésével, a tömegerĘket és a tömegerĘk nyomatékát a minimális értékĦre csökkentjük. A 12.8. és a 12.9. ábrák különbözĘ tömegerĘ kiegyenlítési megoldásokat mutatnak.
12.8. ábra Háromhengeres motor egy segédtengelyes kiegyenlítése
12.9. ábra Négyhengeres, soros motor másodrendĦ kiegyenlítése két, egymással ellentétes irányban, kétszeres motorfordulatszámmal forgó segédtengellyel 12.7. TORZIÓS LENGÉSEK A forgattyústengelyek lengĘképes alkatrészek. Ezek ugyanis olyan tömegeket hordanak, amelyek egymással rugalmasan kapcsolódnak. Ha ilyen mechanikai rendszerre periodikusan váltakozó erĘ hat, akkor kívülrĘl gerjesztett és kényszerlengések keletkeznek. Amennyiben ilyenkor az erĘ gerjesztési frekvenciája azonos a forgattyústengely sajátfrekvenciájával, akkor rezonancia következik be, és a lengéskitérések túl nagyok lesznek. A lengés következtében megnövekedett igénybevétel nem haladhatja meg a tartós szilárdsági határt, mert különben a tengely eltörik. A forgattyústengelyen háromfajta lengés keletkezhet: 4 longitudinális lengések: a tengely hosszirányában leng; 90
4 4
hajlító lengések: torziós lengések:
a tengely hossztengelyére merĘlegesen leng; a tengely hossztengelye körül leng;
A torziós lengések a legveszélyesebbek, mert nemegyszer ezek a forgattyústengely töréséhez vezethetnek. A rezonanciák elkerülésére, a forgattyústengely szerkesztésekor lengésszámítást kell végezni. Ez azért szükséges, mert még akkor is, ha a tengely ilyenkor nem törik el, kellemetlen üzemi viszonyok alakulhatnak ki. Például a tömegkiegyenlítés zavarása, gyorsabb fogaskerékkopást okozhat. Ezt a feladatot legtöbbször nem a konstruktĘr, hanem a lengéssel foglalkozó szakember oldja meg. Ilyenkor a következĘ problémákat kell tisztázni: 4 a forgattyústengely sajátlengéseinek fajtáit és sajátfrekvenciáit; 4 a rezonanciahelyeket, kritikus fordulatszámokat; 4 lengés-amplitúdókat és torziós feszültségeket; 4 a javítás lehetĘségeit, amennyiben a torziós lengések mégis megengedhetetlenül nagyok.
91
13. A BELSėÉGÉSĥ MOTOROK FELTÖLTÉSE 13.1. A FELTÖLTÉS LÉNYEGE ÉS CÉLJA Feltöltéssel — a szívó négyütemĦ és a csak öblített kétütemĦ motorokhoz viszonyítva —növelhetĘ a töltet mennyisége és ezáltal a motor teljesítménye. Feltöltésnek nevezik a teljes töltetnek — vagy csak egy részének — munkahengeren kívüli elĘzetes sĦrítését annak érdekében, hogy a hengerbe jutó töltet mennyisége nagyobb legyen. A feltöltés célja minden esetben az adott motor fordulatszám-növelés nélküli teljesítménynövelése. Mind a feltöltés, mind a nagyobb fordulatszám növeli az idĘegység alatt a hengerbe jutó töltet mennyiségét és ezzel közel arányosan nĘ a belsĘégésĦ motor teljesítménye. A teljesítmény növelésének mindkét esetben korlátai vannak, ezek a korlátok a mĦszaki fejlettség pillanatnyi szintjétĘl függenek. BelsĘégésĦ motor teljesítménye alapvetĘen a következĘ összefüggéssel számítható:
Pe
2 pe zVH n i
.
(13.1)
Az összefüggés átalakításából adódik, hogy
Pe ahol: AD z i s pe ck
— — — — — —
2 1 zAD spe n zAD ck pe n i i
,
(13.2)
a dugattyú felülete; a hengerek száma; a motor ütemszáma; a lökethossz; effektív középnyomás; a dugattyú-középsebesség.
Adott motornál — ahol a geometriai méretek már adottak —, a teljesítményt fordulatszám, illetve a dugattyú középsebessége vagy az effektív középnyomás növelésével lehet csak növelni. A fordulatszám (és ezzel a dugattyú-középsebesség) növelésével a tömegerĘk okozta igénybevételek négyzetesen nĘnek és a motor gazdaságossága romlik. Az effektív középnyomás feltöltéssel való növelése esetén a gázerĘk lesznek nagyobbak, ezek azonban a töltet mennyiségével — azaz a teljesítménynöveléssel — legfeljebb csak lineárisan arányosak. A feltöltés hatására az indikátordiagram „kövérebbé" válik, hasznos területe nagyobb lesz. Bizonyos fordulatszám felett a nagyobb gázerĘk okozta igénybevételek elviselésére könnyebben alakítható ki a motor konstrukciója, mint a nagyobb tömegerĘk elviselésére. A motor termikus igénybevétele a teljesítménynövelés mértékétĘl függ, függetlenül attól, hogy az a fordulatszám növelésébĘl vagy feltöltésbĘl származik. Nagy dugattyú-középsebességek eléréséhez könnyebb forgattyús-hajtómĦ elemeket kell tervezni és gyártani, ezt igényes konstrukcióval és jó minĘségĦ anyagokkal lehet elérni. Így az ilyen motor könnyebb, kevésbé robusztus lesz. A feltöltés — a nagyobb gáznyomások miatt — a konstrukció erĘsítését igényli. A feltöltés a teljesítményegységre esĘ tömeget csökkenti ugyan — a teljesítmény jobban nĘ, mint a szükséges szerkezeti tömeg —, de, a konstrukció erĘteljesebbé, robusztusabbá válik. A feltöltéssel, illetve fordulatszám-növeléssel elérhetĘ teljesítménynövelés összevetéséhez érdemes végiggondolni a következĘket: a belsĘégésĦ motorok jelenlegi fejlettségi szintjén a fel nem töltött benzinmotorok effektív középnyomása körülbelül 1,0 MPa, a kismértékben feltöltött dízelmotoroké körülbelül 1,2 MPa. Személygépkocsi-benzinmotorok dugattyú-középsebessége körülbelül 14 ms-1, jármĦ-dízelmotoroké körülbelül 10 ms-1. A 20 ms-1 vagy ennél nagyobb dugattyú-középsebességek azonban csak versenyautók motorjaiban fordulnak elĘ, amelyek a nagy teljesítményt csak viszonylag rövid ideig adják le, és amelyeket rövid idĘközönként ellenĘriznek és felújítanak. Ezzel szemben 1,8 ~ 2,0 MPa és ennél nagyobb effektív középnyomás, még mérsékelt dugattyú-középsebesség mellett is pont a tartós igénybevételĦ,
92
négyütemĦ hajó-dízelmotoroknál fordul elĘ. Adott effektív teljesítmény esetén a feltöltés elĘnyei a következĘkben foglalhatók össze: 4 kisebb helyszükséglet (kevesebb henger, rövidebb motor); 4 kisebb tömeg, nagyobb teljesítmény-egységre jutó fajlagos tömeg; 4 turbófeltöltés esetén jobb hatásfok (lassabban emelkedĘ fogyasztási görbe); 4 kisebb egységnyi teljesítményre jutó beszerzési ár, különösen nagymotorok esetén; 4 a kipufogógáz-turbinának észrevehetĘ hangtompító hatása van; 4 kevésbé érzékeny a környezĘ levegĘ sĦrĦségének csökkenésére; 4 megfelelĘ kialakítás esetén kevésbé környezetszennyezĘ a kipufogógáz. A feltöltött motorok hátrányai elĘnyeikhez képest eltörpülnek, de természetesen nem hagyhatók említés nélkül: 4 a motoralkatrészek nagyobb termikus és mechanikus igénybevétele; ezenkívül turbófeltöltéses motoroknál; 4 egyes esetekben kedvezĘtlen nyomatéki rugalmasság (különösen nagymértékĦ feltöltés esetén); 4 egyes esetekben rosszabb gyorsulási képesség (különösen nagymértékĦ feltöltés esetén). 13.2. A FELTÖLTÉSI ELJÁRÁSOK CSOPORTOSÍTÁSA A feltöltési eljárások csoportosíthatók a feltöltĘ hajtása, a feltöltĘ szerkezeti felépítése, a motor és a feltöltĘ kapcsolata, továbbá a teljesítmény-leadás helye szerint. A feltöltĘ hajtható: 4 a belsĘégésĦ motortól független erĘgéppel, segédmotorral, villamos motorral (idegen feltöltésĦ motor) ; 4 a motor forgattyústengelyérĘl (mechanikus feltöltésĦ motor); 4 a kipufogó gázokkal hajtott gázturbinával (turbótöltésĦ motor); 4 a hengerbe jutó töltet sĦrĦségét a szívó- és/vagy a kipufogó vezetékben fellépĘ nyomáshullámok növelik meg (dinamikus feltöltésĦ motor) ; 4 az elĘzĘ hajtások kombinációjával (vegyes feltöltésĦ motor). 4 4
A sĦrítĘ szerkezeti felépítése lehet: térfogat-kiszorításos elven mĦködĘ, melyek dugattyús vagy forgódugattyús sĦrítĘk lehetnek (Roots-fúvók, csavarkompresszorok); áramlástani elven mĦködĘ, melyek radiális, axiális vagy axiradiális kialakításúak lehetnek.
A motor és a töltĘ kapcsolata és a teljesítmény-leadás helye szerint a következĘ változatok ismeretesek: 4 a sĦrítĘt a motor forgattyústengelye forgatja, a teljesítmény-leadás is a forgattyús-tengelyen megy végbe (mechanikus feltöltés); 4 a sĦrítĘt kipufogógáz-turbina hajtja, a sĦrítĘ-turbina egység nincs a motorral mechanikus kapcsolatban, a teljesítmény-leadás a forgattyústengelyen történik (turbófeltöltés) ; 4 a sĦrítĘ, a turbina és a motor forgattyústengelye között mechanikus kapcsolat is van, teljesítmény-leadás a forgattyústengelyen (kompaund feltöltésĦ motor); 4 a sĦrítĘ a motor forgattyústengelyével mechanikus kapcsolatban van, a teljesítmény-leadás a turbina tengelyén, ebben a kombinációban a belsĘégésĦ motor lényegében a gázgenerátor szerepét tölti be. A feltöltött motorok fĘbb változatainak vázlatát a 13.1. ábra szemlélteti. Az ismertetett csoportosítás számtalan változatát — például vegyes feltöltésĦ, kétütemĦ dízelmotor térfogat-kiszorításos elven mĦködĘ sĦrítĘvel — már legalábbis kísérleti berendezésként megépítették, de csak kevés változat mutatkozott annyira elĘnyösnek, hogy széleskörĦen elterjedjen. Ezek közül is kiemelkedik a kipufogógáz-turbinával hajtott centrifugál sĦrítĘ (a turbótöltĘ) és a dugattyús belsĘégésĦ motor együttmĦködése, mert a dugattyús motor a kis térfogatú és nagynyomású,
93
az áramlástani elven mĦködĘ gép pedig a nagy térfogatú és kisnyomású gázok hasznosítására különösen alkalmas.
13.1. ábra A feltöltött motorok fĘbb változatai a) idegen feltöltésĦ motor; b) mechanikus feltöltésĦ motor; c) turbótöltéses motor; d) vegyes feltöltésĦ motor; e) motorgenerátoros gázturbina; F — feltöltĘ-sĦrítĘ T — turbina H — töltĘlevegĘ-hĦtĘ 13.3. A FELTÖLTÖTT MOTOR TELJESÍTMÉNYE A motorok feltöltésének teljesítménynövelĘ hatása elsĘsorban a hengerbe kerülĘ töltet nagyobb sĦrĦségének köszönhetĘ. Ehhez adódik még az a teljesítménynövekmény, amely a töltetcserefolyamat veszteségeinek csökkenésébĘl adódik, hiszen a friss töltet a környezetinél nagyobb nyomással áramlik be a hengerbe. Tovább növeli a feltöltött motor teljesítményét az a többlettöltet, amely abból származik, hogy a maradék gázokat a töltĘnyomás kisebb térfogatra nyomja össze. Az eddig felsoroltak a feltöltött motor indikált teljesítményét növelik. Ezen túlmenĘen az effektív teljesítményt az is növeli, hogy a feltöltött motor súrlódási veszteségei fajlagosan kisebbek, ennek következménye az effektív fajlagos tüzelĘanyag-fogyasztás csökkenése is. Figyelembe kell azonban venni a töltĘ hajtásának teljesítményszükségletét is. A legfontosabb jellemzĘk hatását a tökéletes feltöltött motor tanulmányozása alapján elemezhetjük. A 13.2. ábrán egy ideális Sabathé körfolyamat és a hozzá tartozó feltöltĘ munkafolyamatának diagramja látható. Az ábra jól szemlélteti, hogy a feltöltĘ hajtásához szükséges munka (7-1-11-12-7) jelentĘs része visszanyerhetĘ a pozitívvá vált töltetcsere folyamat (1-8-9-10-1) eredményeképpen. A felületek összevetése alapján számítható a tökéletes feltöltött motor várható teljesítménye a feltöltés mértékétĘl függĘen. Vizsgálatunkhoz tételezzük fel, hogy a töltĘlevegĘ hĘmérséklete a szívómotorhoz viszonyítva változatlan, és a nyomása x-szeres, akkor a hengerbe x-szeres nyomású és egyben x-szeres sĦrĦségĦ töltet kerül. Ha a sĦrítés azonos térfogathatárok között megy végbe, mint a szívómotornál, akkor a sĦrítési véghĘmérséklet is azonos, a végnyomás pedig x-szeres. Ha a légviszony is változatlan, egységnyi tömegĦ levegĘben ugyanannyi tüzelĘanyag ég el, tehát a hĘmérséklet-növekedés is változatlan. Változatlan az égés elĘtti és utáni nyomások aránya is, tehát az égési csúcsnyomás a feltöltött motorban szintén x-szerese a szívómotorénak. Végeredményben tehát a munkafolyamat közbeni hĘmérsékletek változatlanok maradtak, a nyomások pedig x-szeresre nĘttek, tehát a középnyomás is x-szeres lett.
94
13.2. ábra Feltöltéses Sabathé körfolyamat vázlata Az égési csúcsnyomás azonban nem lehet akármilyen nagy. Korlátozása esetén (például a sĦrítési arány csökkentésével) az x-szeres feltöltéshez már x-szeresnél kisebb középnyomás növekedés fog tartozni.
13.3. ábra Feltöltött tökéletes dízelmotor középnyomása különbözĘ ȘL töltĘhatásfokoknál a feltöltés mértékének (x) függvényében NagymértékĦ feltöltés esetén a töltĘ hajtásához szükséges teljesítmény is jelentĘs, és a feltöltés mértékének növelésével a töltĘ hatásfoka romlik.
13.4. ábra Csavarkompresszor
95
A 13.3. ábra különbözĘ töltĘhatásfokoknál szemlélteti a tökéletes feltöltött motor középnyomását a feltöltés mértékének (x) függvényében egyébként változatlan feltételek mellett.
13.5. ábra Roots-fúvó keresztmetszete A csúcsnyomás korlátozása és a töltĘ teljesítményszükséglete a nagy sĦrítési arányú és nagy légfelesleggel dolgozó motorok — tehát a dízelmotorok — esetében jelentĘsen csökkenti a motor teljesítményét az elĘbbi x-szeres teljesítményhez viszonyítva. Benzinmotoroknál a feltöltés általában kismértékĦ, nyomáskorlátozás nem szükséges, a keverék közel sztöchiometrikus, ezért a teljesítménynövekedés jó közelítéssel arányos a feltöltés mértékével. A 13.4. —13.6 ábrák különbözĘ feltöltĘ megoldásokat szemléltetnek.
13.6. ábra Kipufogógázzal hajtott turbótöltĘ
96
14. KEVERÉKKÉPZÉS A BENZINMOTORBAN Benzinmotorok esetén a keverékképzés a karburátorban vagy a befecskendezĘ berendezésben kezdĘdik, és a hengerben a kompresszió-löket alatt fejezĘdik be. A karburátornak és a befecskendezĘ berendezésnek az a feladata, hogy a benzinmennyiséget úgy adagolja a levegĘhöz, hogy homogén keverék jöjjön létre. A karburátor és a beömlĘ szelepek között a szívócsövet úgy kell kialakítani, hogy minden hengerhez ugyanakkora keverékmennyiséget vezessen, és a tüzelĘanyag ne centrifugálódjék ki a keverékbĘl. A befecskendezĘ berendezések a szívócsövek tetszĘleges szerkesztését teszik lehetĘvé, mert a tüzelĘanyagot vagy kevéssel a szelepek elĘtt a beömlĘ csatornába, vagy közvetlenül a hengerbe fecskendezik be. A beömlĘ csatorna alakjával (például spirális) és az égéstér alakjával a keverékképzés tovább javítható. 14.1. KARBURÁTOR A karburátor neve tulajdonképpen helytelen, mert az a tüzelĘanyagot elsĘsorban köddé alakítja vagy elporlasztja. A motorok fejlĘdésének kezdetén, mindenesetre valódi karburátorok voltak, amelyekben a levegĘ csak gĘz alakú tüzelĘanyaggal keveredett. A 14.1. ábrán ilyen felületi karburátor vázlata látható.
14.1. ábra. Felületi porlasztó elvi vázlata A motor által beszívott levegĘ a benzin felületét súrolja, és gĘzökben feldúsul. A gĘzképzĘdés elĘsegítésére a karburátort kipufogó gázzal fĦtik. A keverékáramlás irányának változtatásával, az el nem párolgott tüzelĘanyag-cseppecskék kiválnak és visszafolynak a tartályba. Az egyébként is nagy teret elfoglaló felületi karburátor már nem sokkal ezután nem volt képes a motorteljesítménnyel együtt növekvĘ keverékmennyiséget szolgáltatni. Azért azt a permetezĘkarburátor (porlasztó), a mai karburátor elĘdje váltotta fel. A 14.2. az elemi porlasztót szemlélteti.A motor által beszívott levegĘ beáramlik a szívócsatornába. A légtölcsérben, amely fúvókából, hengeres részbĘl és diffúzorból áll, a levegĘhöz a fúvókacsĘbĘl áramló tüzelĘanyag keveredik. A fojtócsappantyú szabályozza a motorhoz jutó keverék mennyiségét és ezen keresztül a motor forgatónyomatékát, teljesítményét. A tüzelĘanyag a tĦszelepen keresztül jut be az úszókamrába. Az úszó szabályozza a tüzelĘanyag-szintet, így amikor a motor áll, nem folyik ki benzin a fúvókacsĘbĘl. A fĘfúvóka a keverék összetételét befolyásolja. A tüzelĘanyag jó porlasztásához nagy levegĘsebesség szükséges, amely a légtölcsér fúvókájában jön létre. Az úszóház-szellĘztetés hatására, az úszókamrában ugyanakkora a nyomás, mint a szívócsatorna elején. A hideg motor indításához a légtölcsér elĘtt levĘ indítócsappantyút zárjuk. Ennek következtében a motor kevés levegĘt és benzint szív be. Ez a túltelített keverék azután elegendĘ, kis hĘmérsékleten párolgó tüzelĘanyag-alkotórészt tartalmaz ahhoz, hogy gyúlékony keverék képzĘdjék. A melegítési szakasz közben az indítócsappantyút lassan ki kell nyitni.
97
14.2. ábra. Elemi karburátor
4 4 4
A keverék-átáramlás szerint három porlasztótípust különböztetünk meg, ezek (14.3. ábra): esĘáramú; vízszintes áramú; emelkedĘ áramú.
a b c
— — —
14.3. ábra. Karburátorfajták esĘáramú; vízszintes áramú; emelkedĘ áramú
Ma már csak az esĘáramú és a vízszintes karburátorokat gyártanak. Az emelkedĘáramú karburátor lehetĘvé teszi ugyan motor alacsony építését, de rontja a hengertöltést, mert a keveréknek a nehézségi erĘvel szemben kell áramolnia. Fennáll annak a veszélye is, hogy a nagyobb tüzelĘanyagcseppecskék a levegĘáramból ismét kiválnak. A vízszintes áramú karburátor is alkalmas alacsony építési magasságú motorokhoz. Ha vízszintes áramú, többszörös karburátort használunk, akkor jó hengertöltést érünk el, mert a keverékáramnak csak kevés alkalommal kell irányt váltania. A legtöbb motort esĘáramú karburátorral üzemeltetik. Ezzel nagy hengertöltést érnek el és a cseppkiválási hajlam a minimumra korlátozódik. 98
A keverék, illetve a tüzelĘanyag mennyiségét vagy fojtócsappantyúval, vagy tolattyúval szabályozzák. Tolattyúként vagy hengeres tolattyút, vagy síktolattyút használnak (14.4. ábra).
.4. ábra. Tolattyúfajták a b
— —
hengertolattyús; síktolattyús
A fojtócsappantyú szerkezete egyszerĦ, de a csappantyú még teljesen nyitott állapotban is zavarja a keverék áramlását. Ha a fojtócsappantyú tengelye gyártási pontatlanság miatt nem pontosan a szívócsatorna közepére kerül, akkor a keverék az egyes hengerek között nem egyenletesen oszlik meg. A hengeres tolattyú helyzetének változásával a levegĘ sebessége majdnem állandó marad. Ennek következtében a tüzelĘanyag minden fordulatszámon és terhelésen egyenletesen jó. A forgatónyomaték kedvezĘen alakul, és a karburátor az üresjárattól a maximális teljesítményig kiegészítĘ berendezések nélkül is mĦködik. A síktolattyúkat többnyire benzinbefecskendezés esetén használják. Egy tolattyúval több szívócsatorna egyenletesen, pontosan vezérelhetĘ, és a tolattyú teljes gáz esetén sem zavarja a keverék átáramlását. A tüzelĘanyag beáramlását a legtöbb karburátoron egy vagy két úszó szabályozza.
15.5. ábra. Úszó nélküli karburátor Úszó nélküli karburátorokat alkalmaznak a mĦrepülĘ repülĘgépeken vagy motorfĦrészekben és 99
hasonló berendezésekben, amelyeknek minden térbeli helyzetben biztosan kell mĦködniük. A 14.5. ábrán úszó nélküli karburátor látható. A tüzelĘanyag a tĦszelepen keresztül a tüzelĘanyag-kamrába áramlik be. Ha nincs tüzelĘanyagelvétel, akkor a rugó a himbával zárja a tĦszelepet. A motor mĦködésekor, a szívócsatornán keresztül áramló levegĘ tüzelĘanyagot szív a tüzelĘanyag-kamrából és a nyomás csökken. A membránt az atmoszferikus nyomás fölfelé kihajlítja, a himbát a rugóerĘ ellenében fölfelé nyomja, és a tĦszelepen keresztül tüzelĘanyag áramlik be. Ennek következtében a tüzelĘanyag-kamrában a nyomás növekszik és a rugó a tĦszelepet ismét zárja. Üzemben a tĦszelep úgy mĦködik, hogy a tüzelĘanyag beáramlása és elvétele azonos legyen. A szívócsatornák száma és fajtája szerint háromféle karburátort sorolhatunk fel. Gyártás szempontjából a legolcsóbb a fojtócsappantyús egytorkú karburátor, amelynek csak egy szívócsatornája van. Hátránya, hogy teljes terhelésen és nagyobb fordulatszámon a töltés erĘsen csökken, és ezért viszonylag kicsi az elérhetĘ literteljesítmény. A teljes üzemi tartományban jobb töltést érünk el a regiszteres vagy lépcsĘs karburátorral. Ennek két párhuzamos szívócsatornája van, külön-külön vezérelhetĘ fojtócsappantyúkkal. A részterhelés tartományában a keverék csak az egyik csatornán keresztül áramlik, a másik zárva marad. Ha a motor terhelése addig növekszik, hogy az elsĘ fojtócsappantyú majdnem teljesen nyitva van, akkor a teljesítmény növeléséhez ki kell nyitni a második fojtócsappantyút is. Ekkor a keverékáram mindkét csatornára oszlik el, és a hengerek nagy terhelése esetén is jól vannak töltve. A többszörös karburátor közös úszókamrás, egyetlen blokká összeépített, kettĘ vagy három egyszerĦ karburátorból áll. A szívócsatornák nem egymás után nyílnak, hanem egyidejĦleg, mert valamennyi fojtócsappantyút párhuzamosan kapcsolnak. Ha például négyhengeres motorra két kettĘskarburátort szerelünk fej, akkor minden egyes henger egy-egy szívócsatornából kapja a keveréket. Ennek a szerkezeti típusnak az az elĘnye, hogy minden henger azonos mennyiségĦ keveréket kap és a keverékáram iránya keveset változik. Azért alkalmaznak a többszörös karburátorokat különösen nagy teljesítményĦ motorokhoz. A karburátorral kapcsolatban a következĘ követelményeket támasztják: 4 gyors, biztos indítás; 4 sima üresjárati mĦködés; 4 takarékos fogyasztás részterheléskor; 4 gyors mĦködés gyorsításkor; 4 keverékdúsulás a maximális teljesítmény elérésekor, 4 a tüzelĘanyag-adagolása és a keverékképzés olyan legyen, hogy a kipufogógázban a káros anyagok az üzem közben soha ne haladják meg a megengedhetĘ határértékeket.
14.6. ábra. A fajlagos tüzelĘanyag-fogyasztás és az effektív teljesítmény a levegĘviszony függvényében Kis tüzelĘanyag-fogyasztáshoz a levegĘviszony körülbelül 1,1 látható. Maximális teljesítmény eléréséhez 0,9-es légfelesleg tényezĘ mális az égéstérben a lángsebesség. Az olyan karburátornak, amely megfelelhet, lényegesen bonyolultabb szerkezetĦnek kell lennie, mint 100
legyen, ahogy a 14.6. ábrán szükséges, mert akkor maximindezeknek a feltételeknek amilyen a fentebb ismertetett
elemi karburátor. 14.2. BENZINBEFECSKENDEZÉS A benzin hengerbe való adagolásának másik — napjainkban egyre jobban elterjedĘ —megoldása a benzinbefecskendezés. A benzinbefecskendezés a dugattyús repülĘgépmotorok fejlesztésével kezdĘdött, így már 1912ben Robert Bosch kísérletezett benzinbefecskendezĘvel, mégis az elsĘ befecskendezĘ karburátort az amerikai Bendix-Stromberg készítette el 1925-ben. Az elsĘ benzinbefecskendezĘ szerkezetet, amelyet közúti jármĦbe építettek be — egy négyütemĦ versenymotor-kerékpárba — 1930-ban készítette a Moto-Guzzi olasz cég. Sorozatgyártásuk az 50-es évek elején kezdĘdött, meglepĘ módon elĘször a viszonylag olcsó motorokba építették be. A benzinbefecskendezésnek a következĘ elĘnyei vannak 1. Jobb a henger töltése, mert 4 a levegĘáramot nem fojtják a szĦkítések; 4 nagy szelepösszenyitás lehetséges, ami jó öblítést biztosít; 4 elmaradhat a keverék elĘmelegítése; 4 a szívócsövet a legjobb töltésnek megfelelĘen lehet alakítani. 2. A motor kopogási határa a nagyobb sĦrítési arányok felé tolódik el mert, 4 minden henger azonos mennyiségĦ keveréket kap; 4 a hengert a párolgó benzin is hĦti; 4 a nagy szelepösszenyitás miatt a forró égéstermékek jobban eltávolíthatók; 4 olyan keverékelosztás valósítható meg, ahol a gyújtógyertyáknál a keverék dús, az égéstér többi részében szegényebb. 3. Az említett elĘnyök miatt a motor literteljesítménye körülbelül 10%-al nagyobb. 4. Kisebb a motor fajlagos tüzelĘanyag-fogyasztása (körülbelül 10 %-kal) mert, 4 a sĦrítési arány növelhetĘ; 4 öblítéskor nincsenek tüzelĘanyag-veszteségek; 4 a keverék bizonyos mértékig szegényíthetĘ anélkül, hogy az égési rendellenességet okozzon (kopogási határ eltolódása); 4 kényszerĦ üresjáratban tüzelĘanyag-fogyasztás nincs, a befecskendezés elmarad; 4 nem szükséges gyorsító-berendezés, amely a keveréket indokolatlanul dúsítja. 5. Nincs benzinlecsapódás a szívócsĘben a hideg motor indításakor. 6. Optimális tüzelĘanyag-ellátás lehetĘsége a teljes jellegmezĘben. A benzinmennyiség és a levegĘmennyiség aránya minden terhelésnél és fordulatszámnál pontosabban szabályozható. 7. A kipufogógáz káros összetevĘinek alakulása jobban befolyásolható. 8. Jobban valósítható meg a benzinmotorok feltöltése. 9. Jobb gyorsítási és lassítási viszonyok. 10. A karburátor helyének felszabadulása miatt a motor 150~200 mm-rel alacsonyabbra építhetĘ. A felsorolt elĘnyök miatt úgy tĦnik, hogy a benzinbefecskendezés az optimális megoldás a dugattyús benzinmotorok tüzelĘanyag-ellátásában. Mégis napjainkban a benzinbefecskendezés nem terjed olyan nagymértékben. Hogy ez miért van? A karburátorok röviden felsorolható elĘnyei miatt. Mert szerkezetük egyszerĦbb és olcsóbb, karbantartásuk és kialakításuk egyszerĦbb. Közvetlen befecskendezés esetén a motor hengerfejébe épített befecskendezĘ szelepen át, felülrĘl vagy oldalról nagy nyomással közvetlenül az égéstérbe fecskendezik be a benzint (14.7. ábra), ami csak szakaszosan, nagy nyomással, a szívóütem alatti befecskendezéssel valósítható meg. A rövid keverési út miatt nem alakul ki az optimálisan homogén keverék. Az öblítési veszteségek elkerülése miatt kétütemĦ motoroknál csak ez a rendszer alkalmazható. A közvetlen (nagynyomású) befecskendezési rendszer a henger belsĘ hĦtését is biztosítja a benzincseppek párolgása miatt. Így a henger töltése növekszik, a motor kopogási határa a nagyobb sĦrítési arányok felé tolódik el. Az elĘnyök mellett hátrányok is mutatkoznak, így a befecskendezĘ fúvóka nagy hĘmérsékletnek és nyomásnak van kitéve, valamint a nagy befecskendezési nyomás miatt nagy a befecskendezĘ szivattyú és fúvóka kopása. A nagynyomású benzinbefecskendezési rendszert napjainkban csak a
101
kétütemĦ és a versenymotorokban alkalmazzák.
1 2 3
— — —
14.7. ábra Közvetlen (nagynyomású) benzinbefecskendezés befecskendezĘ szelep; szívószelep; gyújtógyertya
1 2 3 4 5 6 7
— — — — — — —
14.8. ábra Szívócsatorna-befecskendezés szívószelep; csatlakozó hollandi; hĘszigetelĘ-tartó; szívócsĘ; befecskendezĘ szelep; hengertér; gyújtógyertya.
102
1 2 3 4 5 6
— — — — — —
14.9. ábra SzívócsĘ-befecskendezés szívószelep; csatlakozó hollandi; hĘszigetelĘ-tartó; szívócsĘ; befecskendezĘ szelep; hengertér
A szívócsatorna-befecskendezĘ eljárásnál a befecskendezĘ szelep felülrĘl nyúlik a hengerfejbe és szakaszosan, kis nyomáson fecskendezi be a tüzelĘanyagot a motor szívóütemében a nyitott szívószelepre (14.8. ábra). Ezzel a megoldással igen jó töltési fok érhetĘ el, viszont a rövid keverési út miatt a benzin-levegĘ keverék itt sem lesz optimális. Az eljárás a jelenleg elterjedt benzinbefecskendezĘ berendezések között alig található. A szívócsĘ-befecskendezés esetében a befecskendezĘ szelepet a szívócsĘben helyezik el. A befecskendezés szakaszos vagy folyamatos lehet. A szívócsĘ-befecskendezĘ eljárásnál hosszabb keverési út áll rendelkezésre, így az optimális benzin-levegĘ keverék létrehozásához elegendĘ idĘ van. A kipufogó gázok károsanyag-összetétele ezzel a módszerrel megfelelĘen csökkenthetĘ, így napjaink legelterjedtebb eljárása (14.9. ábra). A benzinbefecskendezés idĘbelisége szerint lehet 4 szakaszos, a motor szívóüteme közben, amely lehet szívócsĘ-, szívócsatorna- és közvetlen befecskendezésĦ; 4 folyamatos, megszakítás nélküli, amely csak a szívócsĘ-befecskendezĘ eljárásnál alkalmazható. MĦködésük szerint a benzinbefecskendezĘ rendszerek két nagy csoportba oszthatók 4 mechanikus; 4 elektronikus vezérlésĦ rendszerekre.
103
15. LEVEGėSZĥRėK 15.1. A LEVEGė PORSZENNYEZETTSÉGE A levegĘben különbözĘ átmérĘjĦ szilárd részecskék találhatók. Ezek a szennyezĘdések két csoportra oszlanak. Egyrészt a talajból kivált porszemcsékre, amelyek átmérĘje 1 ~ 250 µm, és a tüzelĘanyag elégetésekor keletkezĘ koromszemcsékre, amelyek átmérĘje 1 µm alatt van. A porszemcsék méretük alapján a következĘk szerint csoportosíthatók: finom por — 1 ~ 5 µm; közepes por — 5 ~ 10 µm; nagy szemcsés por — 10 ~ 50 µm; durva szemcsés por — 50 ~ 250 µm). A levegĘben található por mennyiségét az egységnyi térfogatú levegĘben lebegĘ porszennyezĘdéssel, az úgynevezett fajlagos szennyezĘdéstartalommal fejezzük ki. A mĦszaki gyakorlatban, ha ez az 1 mgm-3 fajlagos porszennyezĘdést nem haladja meg, a levegĘ tisztának tekinthetĘ. A levegĘ fajlagos porszennyezĘdése a talaj, az útra lerakódott porréteg, a szemcsék átmérĘje és tömege, a talajtól mért távolság stb. szerint különbözĘ lehet. Autópályák felett a porszennyezĘdés 2 ~ 4 mgm-3, aszfaltburkolatú utakon 3 ~ 8 mgm-3, egyéb szilárd burkolatú utakon 10 ~ 50 mgm-3, kövezetlen földutakon eléri az 1000 mgm-3-t. Ha adott körülmények között a fajlagos porszennyezĘdés 0,5 m magasságban 5 mgm-3, 2 m magasban ez tizedrészére csökken. A 2 ~ 3 µm-es finom porszemcsék több órán keresztül a levegĘben maradnak, a 100 µm-es durva szemcsés por már pár perc múlva a talajra rakódik. A levegĘben levĘ porszennyezĘdések hatása szempontjából fontos azok eredete, fizikai, kémiai tulajdonságaik ismerete. Általában a kvarc- (SiO2) tartalom a legnagyobb arányú, átlagosan 75 %, 15 ~ 20 % arányban a szerves anyagok és lúgos vegyületek, a további összetevĘk különbözĘ oxidok. A kvarcszemcsék sok élük és csúcsuk, valamint keménységük miatt a legveszélyesebbek. Keménységük a 11 000 ~ 12 000 MPa értéket is elérheti. A motor hengerébe beszívott porszemcsék lerakódnak a hengerfalra, és a henger, a dugattyú és a dugattyúgyĦrĦk kopását meggyorsítják. Az olajba jutva a csapágyak idĘ elĘtti kopását idézik elĘ.
15.1. ábra A motorba jutó kvarcpor hatása az élettartamra A levegĘ szĦrésével, a kopást okozó anyagok visszatartásával a kopás sebessége csökkenthetĘ a motor élettartamának és üzembiztonságának növelése érdekében. A kopás sebességét a szerkezeti kialakításon és az igénybevételeken kívül a szĦrés hatásossága is befolyásolja. A motorba jutó fajlagos kvarcpor szennyezĘdés függvényében az élettartam alakulását a 15.1. ábra szemlélteti.
104
15.2. A LEVEGėSZĥRėK JELLEMZėI SzĦrési küszöb; A szĦrĘk tervezésének alapvetĘ problémája a szĦrési küszöb meghatározása, vagyis a szĦrĘn még átmenĘ legnagyobb szemcseátmérĘ kiválasztása. Elméletileg a szĦrésnek tökéletesnek kell lennie. Ez bonyolult és költséges szĦrési rendszerek kiépítését igényelné. Így gyakorlatilag a szĦrés tökéletlen. Felmerül a kérdés: a szĦrés tökéletlenségeivel milyen határig lehet elmenni vagy melyik az optimális szĦrési küszöb? A legfelsĘ dugattyúgyĦrĦ legnagyobb kopása 15 ~ 25 µm átmérĘjĦ porszemcsék esetében következik be. Nagyobb szemcsék esetében a kopás csökken, mivel ezek nem tudnak bejutni a dugattyú és henger közötti résbe. Ezzel szemben a porszemcsék legnagyobb átmérĘjének 15 µm-re való lehatárolása nem lenne ésszerĦ, mivel az is megállapítást nyert, hogy még a 2 µm nagyságú szemcsék is jelentĘs kopást okoznak. A szĦrési küszöb meghatározásakor figyelembe kell venni, hogy azonos szemcsenagyság esetén a különbözĘ alkatrészek kopása eltérĘ. A dugattyúgyĦrĦ a porszemcsékre legérzékenyebb alkatrész. A levegĘ szĦrésénél a gyakorlatilag megvalósítható szĦrési küszöb 2 µm körüli érték. A levegĘszĦrĘ hatásfoka; A levegĘszĦrĘ hatásfoka, azaz a szennyezĘdésleválasztás hatásfoka a levegĘszĦrĘben felfogott mpf és a levegĘszĦrĘbe beáramló por mpm tömegének aránya, vagyis:
K sz
m pf m pm
.
(15.1)
A szĦrĘben felfogott por tömege a levegĘszĦrĘ tömegének a vizsgálat alatti változása alapján határozható meg. A levegĘszĦrĘ hatásfokváltozását a beszívott levegĘ térfogatáramának függvényében kell meghatározni. A különbözĘ típusú levegĘszĦrĘknél a szennyezĘdésleválasztás hatásfoka a következĘ: száraz levegĘszĦrĘknél — 0,99 ~ 0,999; olajfürdĘs levegĘszĦrĘknél — 0,97; ciklon rendszerĦ levegĘszĦrĘknél — 0,5; nedves levegĘszĦrĘknél — 0,7. A levegĘszĦrĘ nyomásvesztesége; A kezdeti nyomáskülönbséget a különbözĘ levegĘszĦrĘkre általában a gyártók megadják. A levegĘszĦrĘ-rendszerben fellépĘ kezdeti nyomáskülönbség a motor adataiból számolt és a szabványból kiválasztott névleges térfogatáram 75 %-ánál nem haladhatja meg a gyártó elĘírásában szereplĘ értéket. Általában a kezdeti nyomáskülönbség a névleges levegĘ-térfogatáramnál száraz levegĘszĦrĘ esetén teljes levegĘszĦrĘ-rendszernél nem haladhatja meg a 2 kPa értékét, míg a fĘszĦrĘnél 1 kPa-nál kell hogy kisebb legyen. Valamennyi más levegĘszĦrĘ esetén az elĘbbi értékek 2,2 kPa, illetve 1,5 kPa. Olajkihordás; Az olajkihordás az a grammokban kifejezett olajmennyiség, amely a megengedett nyomáskülönbségen belül egy a szabványban meghatározott levegĘ-térfogatáram és 0,4 cm2s-1 kinematikai viszkozitású olaj használata esetén a nedves vagy az olajfürdĘs levegĘszĦrĘbĘl eltávozik a vizsgálat egy órás idĘtartama alatt. A különbözĘ részleges térfogatáramoktól függĘen ez az érték nedves levegĘszĦrĘk esetében legfeljebb 0,1 ~ 0,5 g, míg az olajfürdĘs levegĘszĦrĘknél az olajtároló képesség 0,2 %-át nem haladhatja meg. 15.3. A LEVEGėSZĥRėKKEL SZEMBEN TÁMASZTOTT KÖVETELMÉNYEK A belsĘégésĦ motorokon alkalmazott levegĘszĦrĘk több feltételnek kell eleget tenniük. Ezek: 4 a levegĘszĦrĘ nagy szĦrési kapacitású legyen, vagyis minél nagyobb mennyiségĦ szennyezĘdést fogjon fel;
105
4 4 4 4 4 4 4 4
nagy szĦrési finomságot biztosítson, vagyis minél kisebb átmérĘjĦ szemcséket szĦrjön ki (a szĦrési küszöb egyes esetekben ne lépje túl a 2 µm-t); a szĦrĘ hatásfoka érje el a 99,9 %-ot; a levegĘszĦrĘ áramlási elmállása minél kisebb legyen; a szĦrĘbetét pórusainak eltömĘdése lassan menjen végbe, hogy mĦködési kapacitását hosszú ideig megtartsa; megfelelĘ mechanikai ellenállása legyen; tömege és mérete kicsi legyen; kis elĘállítási költsége legyen; karbantartása egyszerĦ legyen, karbantartási költségei kicsik legyenek.
15.4. LEVEGėSZĥRė-TÍPUSOK A levegĘszĦrĘk három csoportba oszthatók 4 centrifugális vagy inercia-levegĘszĦrĘk, amelyek lehetnek száraz (ciklon-) vagy nedves (olajfürdĘs) szĦrĘk; 4 szĦrĘbetétes levegĘszĦrĘk, amelyek szintén száraz és nedves rendszerĦek lehetnek; 4 kombinált levegĘszĦrĘk. CiklonrendszerĦ levegĘszĦrĘ A ciklonrendszerĦ levegĘszĦrĘnek viszonylag nagy a szĦrési küszöbe, nagy szemcsékkel szennyezett levegĘ esetében igen jó hatásfokkal mĦködik. Ezért általában kombinált szĦrĘk elsĘ lépcsĘjeként használják. Ellenállása a levegĘfogyasztással növekszik. Ez a szĦrĘ a levegĘt irányváltoztatás segítségével szĦri. Ezen az elven mĦködĘ levegĘszĦrĘt szemléltet a 15.2. ábra. A szennyezett levegĘ a forgó mozgást létrehozó szárnyas terelĘlapátozású beömlĘ csatornán lép be a primer kamrába. A szennyezĘdések a centrifugális erĘ hatására a kamra falához ütköznek. A primer kamra átmérĘjének minél kisebbnek kell lennie, mivel adott bemenĘ levegĘsebességnél a szĦrési küszöb annál kisebb, minél kisebb a forgás sugara. A primer kamra átmérĘjének csökkentése növeli a szĦrĘ ellenállását, illetve a bemenĘ csatornát a por eltömi. ezért gépjármĦ- és traktormotoroknál 30 ~ 40 mm közti beömlĘ csatorna átmérĘt alakítanak ki.
1 2 3 4 5 6
— — — — — —
15.2. ábra A ciklonrendszerĦ szĦrĘ mĦködése szennyezett levegĘ; szárnyas terelĘlapát; beömlĘ csatorna; primer kamra kiömlĘ csatorna; kiszĦrt por.
A szennyezĘdés a beáramló levegĘ mennyiségének körülbelül 10 %-ával a 6 porkamrába, majd innen szabadba jut. A levegĘ maradó, 90 %-a irányt változtatva ismét centrifugálva lesz, csavarvonalalakban halad visszafelé az 5 kiömlĘ csatorna mentén. A levegĘ a kiömlĘ csatornából a motorba 106
kerül. 10 µm-t meghaladó szennyezĘdésméret felett a szĦrĘ hatásfoka eléri a 99,9 %-ot. Nagy motoroknál, amelyek nagy mennyiségĦ levegĘt igényelnek, az ellenállások növekedése miatt nem alkalmazható egyetlen ciklon, hanem több párhuzamosan kapcsolt ciklont egy házba építenek be. A ciklonrendszerĦ levegĘszĦrĘnek hátrányos tulajdonságai is vannak; a finom por szemcséit nem szĦri ki, a szĦrés hatásfoka tömítetlenség esetén nagymértékben romlik; a szĦrés hatásfoka a szállított mennyiség függvénye. OlajfürdĘs levegĘszĦrĘ Az olajfürdĘs levegĘszĦrĘk a levegĘben lévĘ porszemcséket három úton választják le: az inercia hatására, a centrifugális erĘ hatására és a porszemcsék tapadásával az olajban.
15.3. ábra olajfürdĘs levegĘszĦrĘk 1 2 3
— — —
olajtálcába elsĘdleges szĦrĘ ház.
A 15.3. ábrán harang alakú olajfürdĘs levegĘszĦrĘt látunk. A levegĘ a szĦrĘ oldalán lévĘ nyíláson keresztül jut a szĦrĘbe. A beáramlás után 180°-os irányváltoztatást végez, ekkor a nagyobb szennyezĘdések az olajtálcába kerülnek. Ez a szĦrés elsĘ fokozata. A második fokozatban a szĦrést az úgynevezett Rasching-gyĦrĦ vagy fémszivacsból készült 2 szĦrĘbetét végzi. A szĦrĘ, a harang alakú felsĘ részének eltávolítása után tisztítható. Az 1 olajtálcát megfelelĘ szintig olajjal töltik fel A tehetetlenség hatására a nagyobb porszemcsék a lemenĘ levegĘáramban érintik az olaj tükrét, amely ezeket elnyeli. A levegĘáram irányváltásakor a harang alsó pereménél a kisebb porszemcséket a levegĘ köríves pályán szállítja. A centrifugális erĘ hatására ezek a levegĘáram nagyobb ívén helyezkednek el, ha elérik az olajtükröt az olajba kerülnek, és az olaj aljára lerakódnak. A szĦrési küszöb annál kisebb, minél kisebb az olajtükör és a harang távolsága, minél nagyobb a levegĘfogyasztás, és minél kisebb a harang átmérĘje. A nagy sebességet célszerĦ elkerülni, mivel akkor a levegĘáram magával ragadhatja az olajszemcséket is. Az olajfürdĘs levegĘszĦrĘk hiányosságai az említett körülményeken kívül a kis szĦrési hatásfok (70 ~ 80 %) és a gyakori karbantartás szükségessége. SzĦrĘbetétes levegĘszĦrĘ Legelterjedtebb, szerkezetileg a legegyszerĦbb a száraz szĦrĘbetétes szĦrĘ. A szĦrĘbetétek készítésére felhasznált anyagok lehetnek: 4 fémszita (drótból szövet, lyukacsos lemez stb.); 4 textilszövetek (gyapjú, gyapot stb.); 4 nemez; papír; szemcsék (fémforgács); 4 porózus anyagok (üveggyapot). A papír hajtogatása különbözĘ lehet (4. ábra). Alul, felül — lemezfedélbe — mĦanyagba 107
öntött, perforált lemezzel körbefogyott papír szĦrĘbetétet látunk az 5. ábrán. A levegĘ a betéten kívülrĘl befelé áramlik, a szennyezĘdések a betét felületén rakódnak le.
15.4. ábra SzĦrĘpapír hajtogatási módjai
15.5. ábra Papír szĦrĘbetét A szĦrĘbetéthez használt papír különleges porózus papír. A szĦrĘpapírt impregnálják (például fenolgyantákkal), amelynek feladata a pórushálózat egyenletesebbé tétele és a papír mechanikai ellenállásának növelése, egyben a levegĘ nedvességével szemben érzéketlenné tétele. A szĦrés hatásfoka rendkívül nagy, megközelíti a 100 %-ot is, viszont az ellenállása a lerakódások miatt rohamosan növekszik. Például 0,7 kgm-2 porlerakódás esetén az ellenállás 40 ~ 50%-kal növekszik. Ezért a papírbetétes levegĘszĦrĘket személygépkocsikba építik be, amelyek általában pormentesített utakon közlekednek. Ezeket a betéteket nem kell karbantartani, a pórusok eltömĘdése esetén a betétet újra kell cserélni. A nedves szĦrĘbetétes levegĘszĦrĘk vagy viszkózus levegĘszĦrĘk szerkezetileg hasonlóak a szárazbetétes szĦrĘkhöz, e szĦrĘk betétjét azonban nedvesítik. A viszkózus levegĘszĦrĘk jellegzetes típusa a Rasching-gyĦrĦbetétes szĦrĘ. Ezek kb. 10 mm hosszú alumínium-, réz vagy mĦanyag csĘbĘl készülnek, amelyeket perforált lemeztokban különbözĘ irányokban helyeznek el, és így az átáramló levegĘt többszöri irányváltoztatásra kényszerítik. Az irányváltoztatás következtében a szennyezĘdés nagy része kiválik a levegĘbĘl. Nagy felülete miatt nagy mennyiségĦ porszennyezĘdés összegyĦjtésére alkalmas. A szĦrĘ tisztítása után a betétet a jobb hatásfok elérése érdekében beolajozzák. Néha a szĦrĘbetétet vasforgácsból is készítik. A porszennyezĘdéseket a betétanyag felületén levĘ olaj megfogja. A szĦrés csak addig hatásos, amíg a szennyezĘdések lekötésére olaj áll rendelkezésre, ezért a szĦrĘbetétet rendszeresen tisztítani és olajozni kell. Gyakorlati tapasztalatok alapján, a felfogható szennyezĘdésmennyiség azonos a nedvesítĘ olaj mennyiségével. Hatásfokuk jó, viszont karbantartás igényesek. Nagyobb porkoncentráció esetén a szĦrĘbetét nagyon hamar eltömĘdik, ezért ezt a szĦrĘt kombinált szĦrĘkben finomszĦrésre szokták használni, másodlagos vagy harmadlagos szĦrési lépcsĘben. Kombinált levegĘszĦrĘk A kombinált levegĘszĦrĘk általában két vagy három lépcsĘben szĦrik a levegĘt. Így a szĦrés hatásfoka növekszik, a szĦrési küszöb csökken, és a szĦrĘ élettartama növekszik. ElsĘ lépcsĘként száraz vagy nedves centrifugális szĦrĘket alkalmaznak; második vagy harmadik lépcsĘben szárazvagy nedvesbetétes szĦrĘket iktatnak be. Közepes levegĘszennyezési körülmények között üzemelĘ gépjármĦveken kétlépcsĘs levegĘszĦrĘket alkalmaznak. Egy olajtükrös és egy szĦrĘbetétes
108
levegĘszĦrĘt. Általában a kombinált levegĘszĦrĘk szĦrési hatásfoka 99,9 %, a nyomásesés a levegĘszĦrĘn pedig körülbelül 6 kPa. Kombinált levegĘszĦrĘt látunk a 15.6. ábrán.
15.6. ábra Kombinált légszĦrĘ 1 2 3 4 5
— — — — —
gyorsrögzítĘ zár; alapszintjelzĘ perem; tömítĘgyĦrĦ; cserélhetĘ szĦrĘbetét; finomszĦrĘ betét
Nagy fajlagos szennyezĘdésĦ levegĘ beszívása esetén a szĦrĘ ellenállása gyorsan növekszik, és a szĦrĘbetét cseréje válik szükségessé. A két szĦrĘnek külön-külön is elĘnyösek a tulajdonságai, egyesítve pedig különösen jól alkalmazhatók nehéz üzemi körülmények között dolgozó motorok levegĘjének szĦrésére. A szĦrĘ hatásfoka eléri a 99,95 %-ot, és a szĦrĘbetét élettartama is jelentĘsen megnĘ.
109
16. A BELSėÉGÉSĥ MOTOROK INDÍTÁSA A motor indításához a következĘ folyamatoknak kell végbemenniük: 4 a henger(-ek) megtöltése friss töltettel; 4 sĦrítés; 4 a keverék meggyújtása és elégetése. Az indításhoz a forgattyústengelyt külsĘ energiával meg kell forgatni. A legkisebb fordulatszámot, amelyen a motor hengerében az égés megkezdĘdik, indítási fordulatszámnak nevezzük. Az indítási fordulatszám benzin- és dízelmotoroknál különbözĘ. Benzinmotoroknál a tüzelĘanyag jobb illékonysága, a karburátorok indító-berendezése által elĘállított keverékdúsítás, és a gyújtógyertya szikrája az indítást könnyíti. Alacsonyabb külsĘ hĘmérsékleten az indítási fordulatszám nagyobb, mivel a levegĘsĦrítés mértéke a kis fordulatszámokon nagymértékben csökken (16.1. ábra) a következĘ okok miatt: növekszik a hĘveszteség, mivel a friss töltet hosszabb ideig érintkezik az égéstér falaival, a friss töltet hĘmérséklete hidegindításnál alacsony, növekszenek az égéstér résveszteségei (a henger és a dugattyú közti rés). Az indítási fordulatszám szokásos értékei a 16.1. Táblázat tartalmazza.
16.l . ábra A sĦrítési végnyomás és hĘmérséklet változása a fordulatszám függvényében perc-1 Benzinmotoroknál: Benzinbefecskendezés esetén Karburátor esetén Wankel-motoroknál: Dízelmotoroknál: Örvény- és elĘkamra esetén Izzító gyertyával Közvetlen befecskendezés esetén: Indítási segély nélkül Indítási segéllyel
60 ~ 80 60 ~ 100 120 ~ 180 100 ~ 200 60 ~ 90 100 ~ 200 60 ~ 140
16.1. Táblázat Szükséges indítási fordulatszám értékek 16.1. A KÉZI INDÍTÁS KorszerĦ jármĦveknél, fĘképpen személyautóknál a kézi indítást legfeljebb kisegítĘ megoldásként használják. A kézi indításhoz a motor forgattyústengelyének szabad végén rendszerint a zárócsavar
110
fejét indítókörömnek képzik ki (16.2. ábra). Indításhoz az indítókart a indítókörömbe tolják, és a motor forgattyústengelyét forgásba hozzák. A motor beindulásának pillanatában az indítókart a köröm kilöki, és a kapcsolat a motorral megszĦnik. Az indítóköröm tehát olyan kialakítású, hogy csak jobb irányú forgatónyomatékot képes átvinni. Ezzel a módszerrel nem érhetĘ el nagy motorfordulatszám, és nem fejthetĘ ki a nagyobb motorok indításához szükséges teljesítmény. Az elérhetĘ legnagyobb fordulatszám 150 perc-1. Ezért alkalmazhatósági területe: benzinmotoroknál 75 kW-ig és dízelmotoroknál 25 kW-ig. Egyre kevesebb kocsin található kézi indítási lehetĘség.
16.2. ábra Kézi indítóberendezés 1 2 3
— — —
indítókar; indítóköröm; forgattyústengely.
Bár kézi indítóberendezéssel a korszerĦ, nagy sĦrítési arányú motorok nehezen indíthatók, mégis, alkalmazása nagy segítséget jelenthet nagy hideg esetén, amikor az olaj megdermedt. Kézi indítókarral egy-két átforgatás után a villamos indítóberendezés alkalmazása hatásosabb. Alkalmazásának másik, el nem hanyagolható elĘnye az, hogy a motor beszabályozása esetén a forgattyústengely igen könnyen forgatható (például szelephézag-állításnál, gyújtásbeszabályozásnál stb.). Csillag vagy lógó motor esetén — a hidraulikus ütés elkerülése érdekében — az indítás elĘtti átforgatást is kézi indítóberendezéssel lehet megoldani. Benzinmotoros, légcsavaros repülĘgépek motorjának kézi indítása történhet a légcsavar kézi átforgatásával is. Ez a megoldás nagyon balesetveszélyes. 16.2. DEKOMPRESSZOR A dekompresszor berendezés alkalmazásakor, kézi vagy automatikus indítóberendezés mĦködtetésével a szívó- vagy kipufogószelep nyit, a sĦrítési munka csökken és a forgattyús hajtómĦ könnyebben felgyorsítható. A szelepek nyitásának módosítására gyakran alkalmazott módszer a vezérmĦ-tengely tengelyirányú eltolása, ekkor a szelepeket nem az eredeti bütykök vezérlik, hanem az úgynevezett indítóbütykök. Az indítási fázisban a motor sĦrítésének módosítására alkalmazott másik módszer az úgynevezett dekompresszor szelepek beépítése a hengerfejbe. Ezek az égéstérben kialakított mechanikus mĦködtetésĦ szelepek. A szívó- vagy kipufogószelepekhez hasonló kialakításúak, csak kisebb méretĦek. Hidegindításnál ezek nyitása esetén a sĦrítés csökken, ezért a motort az indítóberendezés könnyen „fel tudja pörgetni", majd a dekompresszor szelep zárásakor a motor könnyebben indítható. FĘleg nagy dízelmotorokban alkalmaznak olyan dekompresszor szelepeket, amelyeken keresztül — a motor által egy külön beépített karburátoron át beszívott levegĘt, a dekompresszor szelep elĘtt villamos szikrával meggyújtott — oxigénben dús, égĘ keverék áramlik be. Ezáltal igen rövid idĘ alatt elérhetĘ a motor mĦködéséhez szükséges hĘmérséklet. Az utóbbi megoldás fĘleg elĘkamrás motorokban terjedt el.
111
16.3. VILLAMOS INDÍTÓBERENDEZÉSEK A villamos indítóberendezés egyenáramú, fĘáramkörĦ villamos motor, amely idĘszakosan forgatja a motor forgattyústengelyét speciálisan kialakított tengelykapcsolón keresztül; ez az utóbbi a lendkerék fogaskoszorújához kapcsolódik. Ezeket az indítómotorokat akkumulátorokról táplálják. Teljesítményük benzinmotoroknál a névleges motorteljesítmény 1 ~ 2 %-a, dízelmotoroknál a névleges teljesítmény 7 ~ 12 %-a. Csúszóarmatúrás indítómotor
16.3. ábra Csúszóarmatúrás indítómotor 1 fogaskerék; 2 lemezes tengelykapcsoló; 3 forgórész; 4 akkumulátorcsatlakozó; 5 mágneskapcsoló; 6 záró kilincs; 7 kioldótárcsa; 8 gerjesztĘ tekercs; 9 pólus; 10 akkumulátor; 11 indítókapcsoló; 12 billenĘhíd; 13 visszahúzó rugó; 14 lendkerék-fogaskoszorú; 15 behúzó tekercs; 16 tartótekercs. A csúszóarmatúrás indítómotor metszetét a 16.3.a ábra szemlélteti, áramköre pedig a 16.3.b ábrán látható. Az indítómotor-állórészen két behúzó- és két forgatópólus van. Nyugalmi helyzetben, amikor az indítókapcsoló nyitva van, a visszahúzó rugó a forgórészt a fogaskerékkel együtt jobbra eltolva tartja, így a fogaskerekek nem kapcsolódnak. Indításkor, az indítókapcsoló zár, a behúzótekercs hatására a forgórész az állórész pólusai közé kerül (ezért nevezik csúszóarmatúrásnak), amely helyzetben az egész indítás alatt a tekercs tartja. A forgórész behúzása közben a kioldótárcsa felnyomja a zárókilincset, így a billenĘhíd bekapcsolja a gerjesztĘ tekercset, és a forgórész teljes áramot kap. A csúszóarmatúrás indítómotorok túlterhelésének védelmére a motor és fogaskerék közé lemezes tengelykapcsolót építenek be. Csúszó-fogaskerekes indítómotor A kisebb teljesítményĦ motorok indításához használják. Az indító-fogaskerék és a lendkerék fogaskoszorújának összekapcsolását mechanikusan, kapcsolókarral végzik. Csúszó-fogaskerekes indítómotor vázlatát a 16.4. ábra szemlélteti. Indításkor a kapcsolókart az ábrán jobbra eltolva, a hüvely a bordástengelyen balra elmozdul, és a rugón keresztül a fogaskereket elcsúsztatja a fogaskoszorúval szemben. Az elmozdulás végén a kapcsolókar a kapcsolót mĦködteti, ezáltal a gerjesztĘtekercs és a forgórész áramot kap, az indítómotor a motort forgatja. Az indítómotor védelmére a forgórész és a hajtófogaskerék közé a görgĘs szabadonfutót építenek be.
112
16.4. ábra Csúszó-fogaskerekes indítómotor 1 kapcsolókar; 2 kapcsoló; 3 gerjesztĘ tekercs; 4 akkumulátor; 5 kommutátor; 6 forgórész; 7 pólus; 8 hüvely; 9 rugó; 10 indítómotor-fogaskerék; 11 lendkerék-fogaskoszorú; 12 görgĘs szabadonfutó
16.5. ábra Menetes tengelyĦ indítómotor 1 mágneskapcsoló; 2 behúzótekercs; 3 akkumulátorcsatlakozó; 4 kefetartó; 5 akummutátor; 6 gerjesztötekercs; 7 ház; 8 forgórész; 9 tengely; 10 lendkerék indítókoszorúja; 11 indítómotorfogaskerék; 12 görgĘs szabadonfutó; 13 emeltyĦ; 14 indítókapcsoló; 15 akkumulátor; 16 tartótekercs. Menetes tengelyĦ indítómotor Legtöbb személygépkocsi motorját úgynevezett menetes tengelyĦ indítómotorral látják el. Az indítómotor metszetét és mĦködési vázlatát a 16.5. ábra szemlélteti. Az indítókapcsoló zárásakor az indítómotorra szerelt mágneskapcsoló behúzótekercse feszültség alá kerül. A behúzótekercs a emeltyĦt jobbra elmozdítja, ezáltal az emeltyĦ másik végén levĘ hüvely, rugó közvetítésével balra mozdul. A hüvely menetes tengelyen mozdul el, ezáltal a kapcsolódó hajtófogaskerék — miközben közelíti a lendkerékkoszorút — forgó mozgást végez, biztosítva ez által a jó kapcsolódást. Ha az indítófogaskerék és lendkerék-fogaskoszorú körülbelül
113
egyharmad része kapcsolódik, a mágneskapcsoló hídja a forgórészt áram alá helyezi, az indítómotor forgása következtében a hajtófogaskerék tengelyének végén levĘ ütközĘgyĦrĦig elĘrecsavarodik. Ekkor az indítómotor teljes terheléssel forgatni kezd. Ha a fogaskerekek kapcsolata elsĘ pillanatra nem jön létre — fog-fogra talál —, az emeltyĦ összenyomja a tengelyen levĘ tekercsrugót és végállásba kerül, így az indító-fogaskerék elfordulásakor a rugóerĘ hatására a fogak megfelelĘ kapcsolódása létrejön. A belsĘégésĦ motor beindulásakor az indító-fogaskerék gyorsabban forog, mint az indítómotor, a görgĘs szabadonfutó kiold, az indítómotort leválasztja a forgattyústengelyrĘl. Az indítómotor fogaskereke bekapcsolva marad mindaddig, amíg a mágneskapcsoló az emeltyĦt behúzva tartja. Ha a mágneskapcsoló kikapcsol, tehát az indítókapcsoló megszakít, az emeltyĦ, a szabadonfutó és a fogaskerék — visszahúzó rugó hatására — kiinduló helyzetébe visszakerül. Ez a visszahúzó-rugó — elĘfeszítése révén — az indítómotor elmozduló alkatrészeit a belsĘégésĦ motor mĦködésekor rögzített helyzetben tartja. Azoknál az indítómotoroknál, ahol meg nem engedett hosszú indítással és hosszan tartó, ismételt kapcsolásokkal kell számolni (például kicsi az akkumulátorfeszültség, sérült fogaskerékfogak vagy motorhiba esetén) a termikus túlterhelés elleni védelemre két hĘkapcsolót alkalmaznak. A két hĘkapcsolót sorba kötik és a szénkefékbe vagy az összekötĘ csatlakozókba építik be. Ha sikertelen kapcsolások esetén a kitolómágnes tekercsei vagy más áramvezetĘ részek hĘmérséklete bizonyos, beállított értéket meghalad, a hĘkapcsolók megszakítják az indítómotor áramkörét, az indítómotor kikapcsol. Bizonyos idĘ elteltével az indítómotorral ismét lehet indítani. 16.4. HIDRAULIKUS INDÍTÓBERENDEZÉS A hidraulikus indítóberendezés esetében az indító-fogaskereket hidraulikus szivattyú által szállított olaj mĦködteti. Hidraulikus indítóberendezést látunk a 16.6. ábrán. Az olajszivattyú által szállított olaj a furaton bejut az indítóberendezés hengerébe, ahol a fogasléc kialakítású dugattyút a rugók ellenében elmozdítja. Az ellentétes mozgású két fogasléc csatlakozik a középen elhelyezett 4 fogaskerékhez. A sĦrített gázzal, kéziszivattyúval vagy villamos motor által mĦködtetett olajszivattyú az indításhoz elegendĘ nyomással szállítja az olajat.
16.6. ábra Hidraulikus indítóberendezés 1 olajbeömlĘ furat; 2 fogasléc-kialakítású dugattyú; 3 fogasléc-visszatérítĘ rugó; 4 központi fogaskerék; 5 központi fogaskerék kapcsolókörme; 6 a forgattyústengely kapcsolókörme; 7 forgattyústengely; 8 furatok az indítóberendezés felerĘsítéséhez. 16.5. PNEUMATIKUS INDÍTÓBERENDEZÉS A pneumatikus indítóberendezés tulajdonképpen sĦrített levegĘvel mĦködtetett dugattyús, fogaskerekes vagy lapátos légmotor. A 16.7. ábra dugattyús, sĦrített levegĘs indítómotort szemléltet. A sĦrített levegĘ a dugattyúra hatva, az indításhoz szükséges munkát fejti ki. Az indításhoz szükséges sĦrített levegĘ megfelelĘen kialakított külsĘ hálózatból, a motor elĘzetes üzemében feltöltött tartályból vagy sĦrített levegĘs palackból nyerhetĘ. A pneumatikus indítómotorok teljesítménye 5 ~ 15 kW, és 50 ~ 600 Nm nyomatékot képesek kifejteni. Általában 0,3 ~ 4 MPa nyomású sĦrített
114
levegĘt használnak fel az indítás kezdetén.
16.7. ábra SĦrített levegĘs indítómotor hosszmetszete 1 forgattyústengely; 2 golyóscsapágy; 3 sĦrítettlevegĘ-csatlakozás; 4 dugattyú; 5 levegĘkivezetĘ csonk; 6 indítómotor-fogaskerék. 16.6. BENZINES INDÍTÓBERENDEZÉS Nagy motorok villamos indítása nem gazdaságos, a nagy indítómotor- és nagy akkumulátorkapacitásigény miatt. Ezért indításuk egyik megoldása a benzines indítóberendezés, amely nem más, mint az indítási teljesítménnyel azonos teljesítményĦ benzinmotor. Tehát az indításhoz a nagy motorra épített kis benzinmotort indítják be elĘször, majd csatlakoztatják a fĘmotor forgattyústengelyével. Ezek az indítómotorok 6 ~ 15 kW-os, két- vagy négyütemĦ benzinmotorok. Különleges körülmények között (páldául nagy hidegben) üzemelĘ nagy motorok indításához alkalmazott kis vízhĦtéses benzinmotor — amelyet kéziforgattyúval vagy villamos indítómotorral indítanak — hĦtĘkörét a nagy motor hĦtĘrendszerébe kapcsolják be. A nagy motor akkor indítható, ha a hĦtĘfolyadéka átmelegedett. Az indító-fogaskerék bekapcsolását mechanikusan végzik. 16.7. INERCIA-INDÍTÓBERENDEZÉS Nagy jármĦmotorok indításához nagy teljesítményĦ indítómotor és akkumulátor szükséges, ami tekintélyes tömeget jelent. Ilyen esetben, különösen repülĘgépmotoroknál, a lendkerekes vagy más néven tehetetlenségi (inercia-) indítókat használják. Az inercia-indítóberendezés legfĘbb eleme egy lendkerék, amely a motor beindítása elĘtti 6 000 ~ 12 000 perc-1 fordulatszámmal forgatva, kinetikai energiát halmoz fel. A lendkereket kézi vagy villamos hajtással a gyorsítóáttételen át lehet felpörgetni. Mindkét típust felszerelték több lamellás súrlódó tengelykapcsolóval, amely mind a belsĘégésĦ motort, mind pedig az indítómotort megvédi az esetleges töréstĘl. Az indítóberendezés csúszófogaskerekét egy villával lehet összekapcsolni a lendkerékkoszorúval, így a lassító áttételen át a lendítĘtömeg a forgattyústengelyt forgatja meg. A motor beindulása után a hajtófogaskereket a villa rugója hozza vissza az eredeti állásába. Kézi mĦködtetésnél az indítási idĘ 2 ~ 2,5 perc, villamos mĦködtetésnél 5 ~15 másodperc.
115
16.8. ábra Inercia-indítóberendezés a) kézi hajtás; b) villamos hajtás 16.8. SĥRÍTETT LEVEGėS INDÍTÓRENDSZER A levegĘs indítás energiaforrása egy, a motorüzem dugattyús légsĦrítĘvel közben feltöltött, nagynyomású (körülbelül 50 bar) indító-levegĘtartály. Az indító-levegĘtartályból sĦrítettlevegĘelosztón keresztül vezetik a nagynyomású levegĘt a gyújtási sorrendnek megfelelĘen a motor hengereibe. A nagynyomású levegĘbe ejektoron keresztül juttatják a tüzelĘanyagot, melyet a hengerekben lévĘ üzemi gyertya gyújt be. Az ilyen motor indító berendezése benzinbe fecskendezĘ rendszerbĘl, elektromos vezérlĘrendszerbĘl, valamint levegĘrendszerbĘl áll. A benzinbefecskendezĘ rendszer rendeltetése, hogy a motor indításakor a kívánt összetételĦ üzemanyag–levegĘkeveréket biztosítsa, amikor a porlasztón át beadagolt benzin nem elegendĘ. Az elektromos rendszer feladata, hogy vezérelje a sĦrített-levegĘ adagolását a helikopter fedélzeti rendszerébĘl a sĦrített levegĘ elosztóhoz. Ez biztosítja a nagyfeszültségĦ áramot, hogy erĘteljes szikra keletkezzen a gyertyák elektródái kĘzött indításkor, amikor a mágnes még nem képes üzemelni. A sĦrített levegĘ elosztó a sĦrített ütemanyag-levegĘkeverék hengerekhez való elosztását szolgálja a forgattyútengely elforgatását biztosítva; a motor indításakor. A sĦrített keveréket az elosztó a hengerekbe a gyújtási sorrendnek megfelelĘen adagolja be az expanziós ütemben. A sĦrített levegĘ elosztó hajtása biztosítja az elosztó tengelyének a forgatását 0,5-s áttételi viszonnyal. Az elosztótól a sĦrített levegĘ a hengerekbe a hengerek számával megegyezĘ számú csövön, és indító szelepen át jut be. Az indítószelep háza üreges, a henger felĘli oldalon a ház felsĘ furatában kúpos felület van, amely a szelep ülése. A motor indításakor, amikor a szelepnél a sĦrített levegĘ nyomása nagyobb, mint a rugó elĘfeszítése, a szelep kinyit, és átereszti a levegĘt a hengerbe. A motor mĦködése közben a szelep a rugóerĘ és a henger belsejében levĘ nyomás hatására zárva marad.
116
16.9. ábra: SĦrített levegĘs indító rendszer 1 indító csĘ (levegĘ); 2 indító szelep; 3 benzinvezetĘ csĘ a benzin fĘvezetéktĘl; 4 fecskendĘ; 5 motor indító kapcsoló; 6 levegĘtartály; 7 nyomásmérĘ; 8 zárócsap; 9 kompresszor; 10 ülepítĘ-szĦrĘ; 11,14 egyirányú szelepek; 12 nyomásszabályzó; 13 elektromágneses levegĘszelep; 15 ejektoros indítótartály; 16 fúvóka; 17 sĦrített levegĘ elosztó.
117
17. MOTOROK HĥTÉSE A belsĘégésĦ motorok szerkezeti anyagai — az acél, a réz- és könnyĦfémötvözetek — csal meghatározott hĘmérsékleti határok alatt vehetĘk igénybe. A hĘmérsékleti határ nem lehet az olvadáspont, mert már ennél jóval kisebb hĘmérsékleteken is lecsökken a szerkezeti anyag szilárdsága. Általában 400 °C (könnyĦfém ötvözeteknél 250 °C) a motoralkatrészek megengedett legnagyobb üzemi hĘmérséklete. Ahol nem kerülhetĘ el ezeknek a hĘmérsékleti határoknak a túllépése (kipufogószelep-tányér; elĘkamra, izzófej, kipufogócsĘ, turbina stb.), ott hĘálló krómmolibdén- és nikkelötvözeteket kell alkalmazni. A motor egymáson elmozduló felületeinél a súrlódást csökkentĘ kenĘolaj . szabja meg a megengedhetĘ legnagyobb hĘmérsékletet. 250 ~ 300 °C hĘmérsékleten a motorolajok már nem képesek az elvárásoknak megfelelni, feladatukat ellátni, ezért a súrlódó felületek hĘmérsékletének a legkedvezĘtlenebb körülmények között sem szabad elérnie az említett határhĘmérsékletet. Ez a feltétel áltálában akkor teljesül; hogyha az olajteknĘben levĘ olaj hĘmérséklete kisebb 130 °C-nál.
17.1. ábra Benzinmotorban kialakuló hĘmérsékletek Teljes terheléssel üzemelĘ benzinmotorban kialakuló hĘmérsékletek láthatók az 1. ábrán. Az löketdugattyús belsĘégésĦ motoroknak jelentĘs elĘnye, hogy az égési csúcshĘmérséklet — ami 2000 K felett van — a munkafolyamat idĘtartamának csak tört részében lép fel. MielĘtt még ideje lenne az égéstér falának felmelegednie, már érvényesül a friss töltet hĦtĘ hatása. A napjainkban kísérleti stádiumban levĘ kerámiamotorok — amelyekben egyes alkatrészeket hĘálló kerámiából készítenek vagy kerámia-bevonattal látnak el — ezeket a veszteségeket csökkentik, és ezáltal nagyobb jóságyi falsait érnek el. Ha az égésteret határoló valamennyi felületet kerámiából alakítják ki, akkor motorhĦtés egyáltalán nem szükséges. Az ilyen motort adiabatikus motornak is nevezik.
118
17.2. ábra HĦtési rendszerek csoportosítása 17.1. A folyadékhĦtés (vízhĦtés) A hĦtĘfolyadék a motor — az égésteret és a hengert körülvevĘ — vízterében áramlik, majd a hĦtĘben átadja a felvett hĘmennyiséget a környezĘ levegĘnek Hajómotoroknál a hĦtĘben szekunder vízkör veszi át az elvezetendĘ hĘmennyiséget. Léteznek ugyan hĦtĘtömb nélküli módjai is a folyadékhĦtésnek (frissvízhĦtés és párologtató hĦtés),. ezek azonban állandó folyadék-utánpótlást igényelnek, és ezért már csak alárendelt területeken (csónakmotorok) fordulnak elĘ. A termoszifon hĦtésnél a motor által felmelegített és a hĦtĘben lehĦlt hĦtĘfolyadék sĦrĦségkülönbségének hatására jön létre a cirkuláció. A hĦtĘnek a motornál magasabban kell elhelyezkedni, és elfogadható hatás csak nagy hĦtĘvel és nagy átmérĘjĦ, kis áramlási ellenállású vízcsövekkel érhetĘ el. Szivattyús hĦtés esetén a hĦtĘrendszer méretei kisebbek lehetnek, a hĦtött felület mentén nagyobb sebességgel áramló folyadék felmelegedése kisebb (kb. 6 ~ 8 °C, míg termĘszifon hĦtésnél kb. 20 °C), ezért a hĦtĘben a levegĘ és a hĦtendĘ folyadék átlaghĘmérséklete közötti különbség kedvezĘen nagyobb. A hĦtĘ felépítése A hĦtĘ leglényegesebb része a hĦtĘtömb, amelyben a tulajdonképpeni hĘátadás megvalósul. A belsĘégésĦ motorok fejlĘdéstörténete során több fajtája alakult ki (légcsöves, lamellás), de hosszabb ideje már kizárólag vízcsöves hĦtĘket alkalmaznak. Ennek oka az egyszerĦbb gyártásban és a nagyobb szilárdságban keresendĘ. A csöveket, amelyekben a folyadék áramlik, egy sorban (17.3.b ábra), vagy több sorban egymás mögött soros (17.3.a ábra) vagy ültetett (4. ábra) rendszerben helyezik el. A csĘ maga gépjármĦmotoroknál nem kör keresztmetszetĦ, hanem lapos. Nagyobb motorokban gyakran fordul elĘ kör keresztmetszetĦ vízcsĘ. A levegĘoldali hĦtĘfelület növelése érdekében a csöveket egymástól 3 ~ 5 mm távolságra elhelyezett bordalelemezek merevítik (indirekt hĦtĘfelület), amelyek vízszintéren a csövekre felhúzott lemezek vagy cikcakk-formájúak a csövek kĘzött elrendezve. A vízcsövekben a folyadék általában felülrĘl lefelé áramlik. A személygépkocsik egyre
119
laposabbá váló homlokfelülete miatt vezették be a vízszintes áramlású hĦtĘket is.
a) b)
17.3. ábra KorszerĦ személygépkocsi-motor hĦtĘtömbök kétsoros, apróbordás, fém gyĦjtĘkamrával; egysoros, mĦanyag gyĦjtĘkamrával
a) b)
17.4. ábra Nagy dízelmotorok hĦtĘtömbjének felépítése lapos csövekkel, közös bordalemezekkel; kör keresztmetszetĦ csövekkel, külön-külön bordázattal.
A vízcsöveket általában sárgarézbĘl készítik. A korróziónak jobban ellenállnak a rézcsövek vagy a bronz- ötvözetek. A hĦtĘteljesítményre a vízcsövek anyaga gyakorlatilag nincs hatással. Ezzel ellentétben a bordák hĘvezetĘ képességének azonban már nagy hatása van, ezért nagy teljesítményĦ hĦtĘk bordáit mindig rézbĘl készítik, és csak mérsékelt égövi körülmények között felelnek meg a sárgaréz vagy a horganyzott acéllemez bordák. A csövek és a bordák lemezvastagsága 0,1 ~ 0,5 mm. A vízgyĦjtĘ kamrák és szerelvényeinek anyaga általában sárgaréz, míg a keretet acéllemezbĘl készítik, hogy a hĦtĘtömb kellĘen merev legyen. Személygépkocsiknál terjed az alumínium hĦtĘtömb mĦanyag gyĦjtĘkamrákkal. Az alumínium hĦtĘtömb könnyebb, kevésbé hajlamos korrózióra. A hĦtĘ beépítésének olyannak kell lennie, hogy csavaró-igénybevételt ne kapjon, és a jármĦ rázkódásaiból minél kevesebbet vegyen át. Ezért a hĦtĘt három ponton, gumielemek közbeiktatásával kötik be. A ventilátor A 17.5. ábrán különbözĘ beépítési lehetĘségeket látunk. Az a ábra gyĦrĦ nélkül, a hĦtĘ mögött szabadon elhelyezett ventilátort szemlélte.: Ez a megoldás ma már csak, néhány személygépkocsiban található. A b ábrán már van vezetĘgyĦrĦ, de mivel a ventilátor tengelye a motoron van ágyazva; a gyĦrĦ viszont a hĦtĘvel mozog együtt, a rés szükségszerĦen nagy. A c ábrán a hĦtĘvel együtt mozgó légvezetĘ csatorna rugalmas kapcsolatban van a gyĦrĦvel, amely a ventilátorral mozog együtt, ezért
120
kedvezĘen kicsi a rés mértéke. A b és c megoldások közúti jármĦveken találhatók. A d ábra szerinti megoldás vasúti jármĦvek motortól független hĦtĘcsoportja. Legjobb a hatásfoka annak a hĦtĘrendszernek, amelyiknél a kilépĘlevegĘ mozgási energiája diffúzor segítségével alakul át nyomási energiává (d ábra). Ilyen megoldást helyhez kötött, nagy dízelmotorokban és hajómotorokban alkalmaznak.
17.5. ábra Ventilátorbeépítések a vezetĘgyĦrĦ nélkül; b vezetĘgyĦrĦvel, nagy réssel; c vezetĘgyĦrĦvel, kis réssel; d vasúti jármĦ jellegzetes beépítése; e stabil motor ventilátorbeépítése diffúzorral. A vízszivattyú A vízszivattyú által keringtetett folyadékmennyiség általában 2...3,5 liter(kW min)-1, ezzel a hĦtĘvízmennyiség a percenként 7 ~ 12-szer halad át a hĦtĘrendszeren (a hĦtĘvíz mennyisége személygépkocsinál 0,16 ~ 0,36 lkW-1; tehergépkocsinál 0,27 ~ 0,7 lkW-1). A személygépkocsik vízszivattyúinál egyszerĦségre törekednek. Ez megengedhetĘ, mert a vízszivattyú teljesítményszükséglete viszonylag kicsi, a belsĘégésĦ motor teljesítményének 0,5 ~ 1 %a. Az ilyen motoroknál a centrifugál szivattyú járókerekének áramlási csatornája nyitott, lapátozása hátrahajló, a folyadék radiálisan lép be a járókerék lapátjai közé. VezetĘlapátozást nem alkalmaznak, a vízszivattyúból kilépĘ hĦtĘfolyadék közvetlen áramlik a motor vízterébe. Nagyobb motoroknál a jó hatásfok a legfontosabb szempont; ezért ezeknél a járókerékbĘl kilépĘ folyadék mozgási energiáját csigaházban alakítják vissza- nyomási energiává. GépjármĦmotorok vízszivattyúinak hatásfoka az aránylag nagyméretĦ rések miatt rossz, 25 ~ 50 % (a gyengébb értékek normál lapátozású, kisméretĦ szivattyúkra vonatkoznak). A nagyobb motoroknál gondosabb kialakítással 80 % feletti hatásfok is elérhetĘ. A hĦtĘfolyadék A hĦtĘfolyadéknak a kĘvetkezĘ követelményeket kell teljesítenie: 4 ne okozzon vízkĘképzĘdést; 4 fagyálló legyen; 4 ne korrodálja. a hĦtĘkör anyagait. Az elsĘ követelménynek desztillált vagy lágyított víz teljesen eleget tesz. KorszerĦ motorüzemeltetés esetén egész évben ugyanaz a hĦtĘfolyadék van a hĦtĘrendszerben, ezért fagyálló keveréken alkalmaznak Erre a célra a glikolbázisú vegyületek a legmegfelelĘbbek (például etílénglikol), amelyek a keverési aránytól függĘen –50 °C-ig fagyállóvá teszik a hĦtĘfolyadékot. Hazai viszonyok között 30 térfogatszázalék glikoltartalom elegendĘ, ez – 20 °C-ig biztonsággal alkalmazható. A kereskedelembon kapható koncentrátumok korróziógátló adalékot is tartalmaznak. A fagyálló folyadékok viszkozitása nagyobb, mint a vízé, hĘvezetĘ képesség és fajhĘje lényegesen kisebb. EbbĘl adódóan fagyálló alkalmazása esetén a. dugattyú-henger csoport alkatrészeinek hĘmérséklete nagyobb, mint „tiszta” vízhĦtés esetén.
121
FolyadékhĦtési rendszerek Annak érdekében, hogy a folyadékhĦtési rendszerek megfelelĘ üzembiztonsággal mĦködjenek, és karbantartási igényük minél kisebb legyen, a következĘ szempontokat kell feltétlenül figyelembe venni: 4 a motor melegedésekor és_ lehĦlésekor nem lehet hĦtĘfolyadék-veszteség; 4 a hĦtĘfolyadékban esetlegesen levĘ gáz- és gĘzbuborékokat. külön kell választani a folyadéktól; 4 az elgĘzölgési és kisebb tömítetlenségi veszteségek pótlására bizonyos tartalék folyadéknak kell rendelkezésre állnia; 4 a rendszerben — elsĘsorban a vízszivattyú szívóoldalán — nem alakulhat ki depresszió (a kavitáció veszélye miatt). Ezek a feltételek zárt hĦtĘrendszerekkel teljesíthetĘk. A zárt hĦtĘrendszerekben 25 ~ 100 kPa túlnyomás uralkodik, aminek következtében a hĦtĘfolyadék forráspontja 105 ~ 120 °C-ra emelkedik. Nagyobb lehet a hĦtĘfolyadék és a hĦtĘn átáramló levegĘ közötti közepes hĘmérséklet-különbség, ezért kisebb homlokfelületĦ hĦtĘvel is elvezethetĘ az adott hĘmennyiség. A túlnyomást a TöltĘsapkában levĘ szelep szabályozza. Ezen kívül a sapkába másik szelepet is beépítenek azért, hogy a hĦtĘfolyadék lehĦlésekor ne alakulhasson ki depresszió a rendszerben. Ez a szelep már kis depresszió — 5 ~ 8 kPa — hatására nyit, és levegĘt enged a hĦtĘfolyadék fölé (17.6. ábra). Zárt hĦtĘrendszer kialakítható: 4 kiegyenlítĘ-tartály nélkül; 4 túlfolyó-kiegyenlítĘ tartállyal; 4 mellékáramba vagy fĘáramba kötött kiegyenlítĘ tartállyal.
17.6. ábra TöltĘsapka kettĘs szeleppel. 1 szereptányér; 2 szeleprugó; 3 rugótartó tányér; 4 zárófedél-szorító lemez; 5 zárófedél; 6 tömítĘgyĦrĦ; 7 szelepvezetĘ csap; 8 laprugó; 9 visszacsapó szelep-tányér. 4 KiegyenlítĘ tartály nélküli hĦtési rendszer (17.7.a ábra); A hĦtĘ felsĘ vízkamrája egyidejĦleg a táguló- és légtelenítĘ edény szerepét is betölti. A kamra vízterébe furatokkal ellátott vízszintes választólemezt építenek be, amelynek a feladata megakadályozni, hogy az áramló folyadék levegĘt ragadjon magával. A furatokat a kamra kis áramlási sebességĦ részein helyezik el, ezeken keresztül a hengerfejtömítésnél vagy egyéb tömítetlenségen esetleg a hĦtĘvízbe kerülĘ gázok a kamra légterébe távozhatnak. A gázkiválást gyorsítja, hogy ha a vízgyĦjtĘ kamra választólemez feletti terét — de még a folyadékszint alól — vezeték köti össze a szivattyú szívóoldalával. Ez a vezeték azonban csak korlátozott keresztmetszetĦ lehet, mert rajta keresztül hĦtetlen folyadék áramlik vissza a motorba. 4 FolyadékhĦtési rendszer túlfolyó-kiegyenlítĘ tartállyal (17.7.b ábra); A túlfolyó-kiegyenlítĘ tartálynak az a feladata, hogy a hĦtĘrendszer felmelegedésekor a hĘtágulás
122
következtében kiszorulj folyadékot tárolja. LehĦléskor a motor visszaszívja a hĦtĘfolyadékot, így a hĘtágulás nem okoz folyadékveszteséget. A kettĘs szelep a felsĘ vízgyĦjtĘkamrán is elhelyezhetĘ. Ez esetben melegedĘ motornál a túlnyomás azonnal kialakul, mert a szelep alatt nincsen légpárna. Ez a motor felmelegedésekor elĘnyös — mert már kis hĦtĘvíz-hĘmérsékleteknél is kialakul kellĘ nyomás a szivattyú szívócsonkjánál —, hátrányos azonban a motor lehĦlésekor; amikor is már kismértékĦ lehĦlés esetén is az atmoszférikus nyomásra, illetve kissé az alá csökken a rendszer nyomása. Az ilyen rendszerben a nyomásingadozás gyakori és nagymértékĦ, és ez hátrányos a hĦtĘrendszer elemeinek élettartamával kapcsolatosan. A túlfolyó-kiegyenlítĘ tartálynak nem kell hĘ és nyomásállónak lennie. Ha viszont a kettĘs szelep a túlfolyó-kiegyenlítĘ tartályon van, akkor az összenyomhatatlan hĦtĘközeg és a nyomószelep között légpárna van. Minél nagyobb térfogatú a légpárna, annál kisebb a rendszer nyomásingadozása, és ezzel a hĦtĘrendszer elemeinek váltakozó igénybevétele.
17.7. ábra FolyadékhĦtési rendszerek a) kiegyenlítĘ tartály nélkül; b) túlfolyó-kiegyenlítĘ tartállyal; c) mellékáramba kötött kiegyenlítĘ tartállyal; d) fĘáramba kötött kiegyenlítĘ tartállyal; 1 hĦtĘvízkilépés a hengerfejbĘl, 2 termosztát; 3 hĦtĘ; 4 visszafolyó vezeték; S rövidrezáró vezeték; 6 vízszivattyú; 7 töltĘsapka kettĘs szeleppel; 8 légtelenítĘ és töltĘsapka; 9 túlfolyó-kiegyenlítĘ tartály; 10 kéttĘs szelep; 11 túlfolyóvezeték; 12 kiegyenlítĘ tartály választólemezzel (fĘáramban); 13 töltĘ- és kiegyenlítĘ vezeték; 14 kiegyenlítĘ tartály (mellékáramban); 15 légtelenítĘ vezeték. 4 FolyadékhĦtési rendszer mellékáramba kötött kiegyenlítĘ tartállyal (17.7.c ábra); Ez a rendszer haszongépjármĦvek dízelmotorjainál terjedt el általánosan. A kiegyenlítĘ tartálynak a rendszer légtelenítésében is aktív szerepe van. A légtelenítĘ vezeték zárt termosztát esetén vezeti ki a cirkuláló folyadék gáz- és gĘzbuborékait. A hĦtĘ felsĘ vízkamrájából a légtelenítĘ vezetéken távozhatnak a gázok. A magasan elhelyezett kiegyenlítĘ tartályt a viszonylag nagy átmérĘjĦ töltĘkiegyenlítĘ vezeték köti össze a szivattyú belépĘcsonkjával. Ennek az a célja, hogy a fordulatszám hirtelen növekedésekor megakadályozza a rendszerben levĘ folyadék tehetetlenségébĘl származó
123
kavitációveszélyt a szivattyú belépĘcsonkjánál. A légtelenítĘ vezetékek keresztmetszetei nem lehetnek nagyok, hiszen ezeken keresztül a hĦtĘfolyadék a termosztátot megkerüli. 4 FolyadékhĦtési rendszer fĘáramba kĘtĘn kiegyenlítĘ tartállyal. A fĘáramkörĦ kiegyenlítĘ tartályon a teljes hĦtĘvízmennyiség keresztülfolyik. Ha a kiegyenlítĘ tartály a 17.7.b ábra szerint a termosztát elĘtt helyezkedik el, akkor légtelenítési feladatát zárt termosztát esetén is ellátja. A gázleválasztás akkor hatásos, ha a tartályt nyílásokkal ellátott választólemez osztja két részre és a felsĘ részt szĦk keresztmetszetĦ vezeték a szívóoldallal köti össze. 17.2. A léghĦtés Természetesnek és egyszerĦnek tĦnik, hogy a levegĘt közvetlenül használjuk fel a motor hĦtésére. Valóban több elĘnye van a léghĦtésnek: érzéketlenség és igénytelenség, jó hatásfok a nagyobb hĘmérsékletszint következtében, gyorsabb felmelegedés, kisebb helyszükséglet stb. A felsorolt elĘnyök mellett azonban hátrányok is jelentkeznek: nagyobb zajszint, többnyire nagyobb teljesítményigény, nagyobb hĘmérséklet-különbségek térben és idĘben, és egyes motoralkatrészek nagyobb termikus igénybevétele, ami a sĦrítési arányt és a teljesítményt korlátozza. A léghĦtéses motoroknál általában gondot okoz a kocsifĦtés is, az ingadozó levegĘ-hĘmérséklet és a rendszer kisebb kĘkapacitása miatt. A léghĦtés elĘnyei tehát az igazán szélsĘséges üzemi és éghajlati körülmények között érvényesülnek. A kis motorok (aggregát, fĦnyíró gép) és motorkerékpár-motorok általában léghĦtésesek, a személygépkocsi-motorok túlnyomó hányada vízhĦtéses. (Egy 1985-ben kiadott katalógusban ismertetett 168 személygépkocsi motorjai közül mindössze hat léghĦtéses motor található.) A haszonjármĦ-, vasútijármĦ-; hajó- és stabil motorok kategóriájában a léghĦtés ritka kivételnek számít.
17.8. ábra KülönbözĘ bordakeresztmetszetek HĦtĘbordák A hĦtĘbordák kialakítása keresztmetszetüket tekintve különbözĘ lehet. A legegyszerĦbb forma a téglalap keresztmetszet (17.8.a ábra), ennél a borda vastagsága állandó. Gyakran használatos a trapéz keresztmetszetĦ borda (17.8.b ábra); amely a leginkább megközelíti az ideális bordakeresztmetszetet: a hengertĘl kifelé haladva ugyanis fokozatosan csökken az elvezetendĘ hĘmennyiség, és ezzel csökkenhet a borda keresztmetszete is. A háromszög keresztmetszetĦ borda (17.8.c ábra) is megfelel a hĘátadási követelményeknek, azonban elĘállítása technológiai szempontból kedvezĘtlen. A hĘátadási viszonyok, valamint a tömegviszonyok szempontjából is legelĘnyösebb a parabola kontúrú hĦtĘborda (17.8.d ábra). Pontos elkészítése azonban öntéssel igen körülményes, ezért sokszor trapéz keresztmetszettel helyettesítik. A bordák hosszúsági mérete határozza meg két szomszédos henger távolságát; ezért léghĦtéses motor tervezésekor a hengerek közötti távolság-elĘzetes felvételét nagyobb körültekintéssel kell elvégezni, mint folyadékhĦtésĦ motor esetében. A hĦtĘbordák általában teljesen körbefutók és folytonosak. Egyes gyártók azonban szakaszos
124
bordázatú hengereket is alkalmaznak. Esz esetben az össz-bordafelület kisebb lesz, de a bordaéteken fellépĘ megzavarások következtében a hĘátadási tényezĘ növekszik. A bordák közötti legkisebb távolságot részben a hĦtési viszonyok, részben a gyártástechnológiai lehetĘségek szabják meg. AlumíniumötvözetbĘl megfelelĘ öntési technológiával ma már lehetséges hosszú bordákat 4 ~ 5 mm-es osztással elĘállítani. (Öntöttvas bordáknál 6 mm-es osztás alatt már nagy selejtszázalékkal kell számolni.) Mivel a borda vastagsága a hegyénél körülbelül 0,8 mm, a tövénél 2 ~ 3 mm, a levegĘszámára 2 ~ 4 mm széles áramlási csatorna marad szabadon. Kísérletek alapján 2,5 mm-nél kisebb résméreteknél a bordakihasználási tényezĘ rohamosan csökken, ezért 2 ~ 3 mm-nél kisebb réseket hĘtani szempontból sem célszerĦ alkalmazni. Szabad légárammal hĦtött (például motorkerékpár) hengerek esetén a bordák távolságát (osztását) nagyobbra; körülbelül 8 mm-re kell választani, különben a bordák tövénél a légmozgás nem lesz elegendĘ az átvett hĘ megfelelĘ továbbításához. Ventillátor LéghĦtéses motor ventillátorának elrendezését fĘbb szempont szabja meg. Ilyen szempont a motor hengerszáma és –elrendezése. Kis motorok, kevés hengerrel általában radiál ventilátorral készülnek, a nagyobb, sokhengeres motorokat mindig axiál ventilátorokkal hĦtik. A ventilátor lehet a lendkeréken kialakítva, a hengerek mellett oldalt (párhuzamosan vagy merĘlegesen a hengersorra), a hengerek felett (boxermotornál, a hengersorok kĘzött (Velrendezés esetén). A levegĘáram rávezetése a hengerekre különbözĘ irányítással mehet végbe: 4 a hengerfej felĘl, a henger tengelye irányában, tehát úgy, hogy a hĦtĘlevegĘ elĘször a legmelegebb részeket hĦtse; 4 a hengertĘl a hengerfej felé haladó levegĘárammal; 4 a hengerhez képest radiálisan, a forgattyústengelyre merĘlegesen; 4 a hengerhez képest radiálisan, a forgattyústengely irányában.
17.9. ábra LéghĦtéses motor beépítési vázlata A levegĘ egyenletes eloszlását terelĘlemezek segítségével lehet elérni. A terelĘlemezek végleges elrendezése csak kísérleti úton határozható meg. Fontos, hogy a ventilátortól távolabb esĘ hengerek hĦtése is azonos intenzitású legyen, mint a ventilátorhoz közel esĘ hengeré. További szempont a jármĦbe való beépíthetĘség. A beépítésnek alkalmazkodnia kell pl. az alvázkeret, a motorháztetĘ kialakításához. A 17.9. ábrán jármĦbe beépített léghĦtéses motor vázlata látható. A ventilátorok általában nyomóelrendezésĦek, ami azt jelenti, hogy áramlás szempontjából a hengereket megelĘzik. Ritkábban alkalmaznak szívóventilátort, ez esetben a szállítandó légtérfogat 15 ~ 20%-kal nagyobb, mert a felmelegedett levegĘt szállítja. A hĦtĘventilátor-hajtások csoportosítását a 17.10. ábra szemlélteti.
125
17.10. ábra Ventilátorhajtások rendszere
126
18. A KIPUFOGÓRENDSZER A motorból eltávozó égéstermék a kipufogószelepen keresztül 3 ~ 5 bar nyomáson és 550 ~ 800 °C hĘmérsékleten a kipufogócsĘbe, majd ennek folytatásán át a hangtompítóba, onnan pedig a szabadba áramlik. A nagy fordulatszámú motoroknál az égéstermékeknek nagy sebességgel, akadálymentesen kell távozniuk, mert a kipufogóütem igen rövid idĘ alatt zajlik le. Azért is fontos a nagy áramlási sebesség, hogy a motor hĘterhelése a megengedett határok között maradjon és hogy a friss töltet beáramolhasson a hengerekbe. Ennek érdekében a kipufogócsĘ belsĘ részét simára és fokozatosan bĘvülĘre készítik, anyaga öntöttvas vagy ritkán acélöntvény. A kipufogócsövet a hengerfejre tömítéssel és csavarokkal csatlakoztatják. A csatlakozó könyökök a gyĦjtĘcsĘbe torkollnak Keresztmetszetük általában kör, néha azonban négyszögletes. Áramlási kersztmetszete 20 ~ 30 %-kal nagyobb, mint a kipufogószelepé, hogy az áramlási sebesség itt csökkenjen. A törés elkerülése céljából a felerĘsítésre szolgáló csatlakózó könyököket túlméretezik és a gyĦjtĘcsövet bordázzák. Ez utóbbi a hĦtés szempontjából is elĘnyös. A gyĦjtĘcsĘ egyes megoldásoknál vízzel is hĦthetĘ. Hosszú motorok kipufogócsöveit több részbĘl készítik, hogy az egyes részek egymáshoz képest elmozdulhassanak. A kipufogó gyĦjtĘcsĘ végéhez vagy közepéhez csatlakozik a kipufogó gázok továbbvezetésére való kipufogócsĘ, amelybe a hangtompítót iktatják. A szabadba áramló kipufogó gázok nemcsak mérgezĘ alkotórészeikkel, hanem erĘs zajukkal is károsan hatnak a környezetre. A kipufogó gázok zaját megfelelĘen tompítani kell. A zajt a hangtompító azáltal csökkenti, hogy a szakaszosan beérkezĘ égéstermékek nyomását és hĘmérsékletét fokozatosan csökkenti, és ezért azok egyenletesebben és kisebb sebességgel jutnak ki a szabadba, mint amilyennel a munkahengert elhagyták. A hangtompító háza rendszerint acéllemezbĘl készül.
18.1. ábra. Hangtompító elrendezése a) abszorciós szĦrĘ; b) elágazásos szĦrĘ; c) soros szĦrĘ. A 18.1.a ábrán látható abszorpcós szĦrĘben perforált csĘ található. Az edény faláig lyukacsos anyagot (azbeszt, üveggyapot) helyeznek el. A gázok nyomási és hangenergiája így a súrlódás következtében hĘvé alakul át. 500 Hz-en felüli rezgésszánoknál hatásos. Expanziós rendszere hangtompító szĦrtik két típusa terjedt el a gyakorlatban, az úgynevezett elágazásos és a soros. Az elágazásos szĦrĘ (18.1.b ábra) csillapítása a rezonancia elvén alapul. FĘként a mély hangok kiszĦrésére alkalmas. A soros szĦrĘ (18.1.c ábra) szintén rezonancia hatás szerint csillapít. FĘként a magas hangok csökkentésére alkalmas. Az interferenciás vagy visszaverĘdéses típusú hangtompítóknál az akusztikus ellenállást használják fel a fellépĘ káros zajhatások csökkentésére. A gépkocsikon a fenti megoldásokat kombinálva alkalmazzák. Egy korszerĦ hangtompító elvi rajza látható a 18.2. ábrán. A kipufogócsövet és a hangtompítót rugalmasan függesztik fel. KétütemĦ motornál többnyire két hangtompító dobot szerelnek a gépkocsira. Az elĘtompítót, a motor közelében kell elhelyezni. NégyütemĦ motoroknál a kocsi közepén helyezik el a hangtompítót. Ezeknél a motoroknál a hangtompító mintegy 3 ~ 4 % teljesítménycsökkenést jelent. KétütemĦ motoroknál viszont, ha megfelelĘen szerkesztett a hangtompító, még teljesítménynövekedést és fogyasztáscsökkenést is okozhat az alkalmazása. A gépjármĦvek kipufogórendszere a mechanikus lengésekbĘl adódó igénybevétel mellett még kettĘs korróziós igénybevételnek is ki van téve. KívülrĘl felcsapódó víz, sár, sózott utak által okozott korróziós hatás éri, és a kövek mechanikus romboló hatása is érvényesül. BelülrĘl a füstgázok kémiai korrózió útján fejtik ki káros hatásukat. Növeli az igénybevételt a kipufogócsĘ külsĘ és belsĘ felülete közti hĘmérsékletkülönbség is. A hangtompító fokozott korrózióját a benne lecsapódó vízgĘz is
127
meggyorsítja.
18.2. ábra. Kombinált hangtompító A belsĘégésĦ motorok kipufogó gáza szén-dioxidot, vízgĘzt, nitrogént, hidrogént, szénmonoxidot tartalmaz. A legveszélyesebb a szén-monoxid, ami a motorok üresjárati és fékezési üzemében keletkezik. A gépjármĦ kipufogó rendszerébe katalizátort építenek be, ami titánégetéssel segíti elĘ a teljes kémia (oxidációs) reakciót. Ezért tovább csökkenti a kipufogó gázaik szénmonoxid (CO) és szénhidrogén (CH) tartalmát, és bizonyos mértékig a nitrogénoxid (NOX) mennyiségét is. Katalizátorként platinát, platina-palládium vagy esetleg rézötvözetet alkalmaznak.
18.3. ábra. Katalizátorkészülék Benzinmotorokhoz katalizátorként kerámia anyagra csévélt platinahuzalt használnak, amelyet villamosan izzítanak. A másik megoldás — elsĘsorban dízelmotorokhoz — a golyós katalizátor. A platina-palládium vagy platina-rádium katalizátort golyó felületére viszik fel. MĦködése 600 ~ 700 ºC hĘmérsékletnél optimális. Mindkét katalizátort tisztítani kell. A platinahuzalos kivitelĦt körülbelül 2000 km után, mert a felületek ólmozódnak, illetve a gáz dinamikai lökése roncsolja, a gatyást pedig 15 ~ 20 ezer km után a rárakodott korom leégetésével vagy vegyszeres úton való eltávolításával. A kipufogógáz-katalizátorok csak ólommentes benzinnel érintkezhetnek. A kipufogógáz-katalizátorba úgynevezett lambdaszondát építenek be. A szondakerámia-test külsĘ része a kipufogógáz-áramba merül, a belsĘ része a külsĘ levegĘvel érintkezik. A szonda a kipufogógáz oxigéntartalmát méri, és a kimenĘ jelét egy vezérlĘkészülékhez (például a benzinbefecskendezĘ vezérlĘkészülékhez) továbbítják. Ez a készülék a befecskendezési idĘ szükséges változását határozza meg, és korrigálja az üzemanyag-levegĘ keveréket. KedvezĘ kipufogógázösszetételen kívül a benzinfogyasztást is csökkenthetjük ezzel a megoldással.
128
Felhasznált irodalom [1] [2] [3] [4]
DEZSÉNYI, GY., EMėD, I., FINICHIU, L., BelsĘégésĦ motorok tervezése és vizsgálata, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1999. GROHE, H., Otto- És Diesel-motorok, MĦszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980. ANTAL, GY., CSEH S., GépjármĦszerkezettan, MĦszaki Könyvkiadó, Budapest, 1993. HUSI, G., Energiaátlalkítógépek II segédlet, Ybl Miklós MĦszaki FĘiskola, Debrecen, 199.
IV
