Mi történik egy másodperc alatt a négyütemű motorban?
Az oldal megosztása
Egy négyütemű motorban egyetlen másodperc alatt a dugattyú tízszámra teljes fel-le mozgást végez a felső és alsó holtpont között, a szelepek tökéletes időzítéssel nyílnak és zárnak, és mindkét fordulatszám közül csak egyszer történik égés, amely munkát végez – ez egy sűrű mechanikai sorozat. Szívás, sűrítés, munkaütem és kipufogás: mind a négy ütem a főtengely pontosan 180 fokának felel meg, és minél magasabb fordulatszámon forog a motor, egy ütem annál kisebb másodperc törtébe sűrűsödik.
Kiemelkedő tudnivalók
- Egy teljes ciklus 720°, azaz a főtengely két fordulatát vesz igénybe; minden ütem 180° tart.
- Munka csak a négy ütem egyikében keletkezik: minden 2 fordulat után egy munkaütem van.
- A gyújtógyertya jellemzően a felső holtpont előtt körülbelül 20° főtengely-szöggel indítja a szikrát.
- A belső égésű motor a bevitt energia átlagosan csak 40-45%-át alakítja mechanikai munkává.
- Ipari motoroknál az átlagos dugattyúsebesség körülbelül 10 m/s értékkel van korlátozva.
Hogyan működik a négyütemű motor: négy lépés a hengerben
Minden a "löket" fogalmával kezdődik: a löket a dugattyú teljes, egyirányú mozgása a hengerben. Amikor a dugattyú a legfelső helyzetében van, felső holtponton (TDC), amikor a legalsó helyzetében van, alsó holtponton (BDC) van. A négyütemű ciklus e két pont között négy löketen és a főtengely két teljes fordulatán át terjed. A dugattyú lineáris mozgása a hajtórúdon keresztül forgatja a főtengelyt; mind a négy ütemhez a főtengely 720 fokot fordul.
A szelepek szerepe ebben a ciklusban kritikus. A szívó- és kipufogószelepeket egy -=a főtengely felével megegyező sebességgel forgó-= vezérműtengely irányítja. Ez a felezett fordulatszám nem véletlen, hanem szükségszerűség: mivel a szelep eseményeit a főtengely-szöghöz kell rögzíteni, a vezérműtengely minden ciklust a főtengely fordulatának felével követ.
1. Szívás: levegő beszívása részleges vákuummal
Amikor a dugattyú a felső holtponttól lefelé kezdeni mozogni, a szívószelep nyitva van. A dugattyú lefelé mozgása megnöveli a henger térfogatát, és részleges vákuumot, azaz negatív nyomást hoz létre. Ez a nyomáskülönbség szívja be a levegő-üzemanyag keveréket a hengerbe. A szívási ütem a dugattyú teljes lefelé mozgása a TDC-től a BDC-ig, és a ciklus első 180 fokát foglalja el.
2. Sűrítés: az energia koncentrálása
Az alsó holtponton a szívószelep zár, és megkezdődik a sűrítés. Most mindkét szelep zárt; a dugattyú felfelé mozogva a levegő-üzemanyag keveréket az égéstér szűk terébe sűríti. A sűrítésnek két funkciója van: elősegíti az üzemanyag-gőz további elpárolgását, és több energiát szabadít fel a gyújtáskor. A sűrítésre fordított energia mindössze körülbelül egynegyede az égéskor termelt energiának; vagyis a befektetés kifizetődő.
A kompresszióviszony mérése az egyik leggyorsabb módja a motor karakterének megértésének. Benzinmotoroknál a jellemző tartomány 6:1 és 10:1 között van; minél magasabb az arány, annál nagyobb a hatásfok, de nő az üzemanyag öngyulladásának, azaz a kopogásnak a kockázata is. Ezért a benzin oktánszáma az öngyulladással szembeni ellenállás mértéke: magasabb oktánszám magasabb kompresszióviszonyt tesz lehetővé.
3. ütem: A körfolyamat egyetlen munkavégző szakasza
A sűrítési ütem végén, a felső holtpont előtt körülbelül 20° főtengely-szöggel a gyújtógyertya szikrát ad. Miért nem pontosan a legfelső ponton? Mert a lángfrontnak időre van szüksége, hogy végighaladjon az égéstérben; a szikra előbb pattan, így a nyomáscsúcs akkor éri el maximumát, amikor a dugattyú éppen a tetőpontján van, és a lökés munkát tud végezni. Az égő keverék a dugattyút az alsó holtpont felé nyomva előállítja azt a mechanikai munkát, amely a főtengelyt forgatja. A teljes körfolyamat során csak ez az ütem végez munkát; a hengerszámától függetlenül minden négyütemű motor 720 fokonként egy munkaütést kap. A többhengeres motorok egyenletes működésének titka ezeknek a munkaütemeknek a főtengelyen való összeolvasztása.
4. Kipufogás: Az égéstér kiürítése
Amikor a dugattyú eléri az alsó holtpontot, a kipufogószelep kinyílik, és a körfolyamat utolsó 180 fokában a dugattyú felfelé haladva kitolja a hulladékgázokat a kipufogóporton keresztül. A felső holtpont elérésekor a henger kiürült, a szívószelep készen áll az újbóli nyitásra, és a körfolyamat elölről kezdődik. A henger minden feltöltése a kétfordulatú ciklus újbóli felépítését jelenti.
Mennyi Ideig Tart Egy Ütem, Ha Nő a Fordulatszám?
A kérdésre tiszta számtannal található meg a válasz. Mivel egy működési körfolyamat két főtengely-fordulatig tart, a motor fordulatszáma közvetlenül meghatározza egy ütem időtartamát. Például 1.000 rpm mellett a motor másodpercenként körülbelül 16,7 fordulatot tesz; egy teljes körfolyamat körülbelül 60 ezredmásodperc, vagyis egy ütem 15 ezredmásodpercig tart. 6.000 rpm mellett másodpercenként 100 fordulat van, és minden ütem, a munkaütemet is beleértve, körülbelül 2,5 ezredmásodpercre csökken. Az égés, a szelepmozgás és a gázáramlás mindegyikének ezekben a nagyságrendekben kell összehangolódnia.
A fordulatszám felső határát is a fizika szabja meg. Az átlagos dugattyúsebesség a löket és a fordulatszám függvénye; ipari motoroknál ezt a sebességet a hengerfal kenésének megromlása elkerülése érdekében körülbelül 10 m/s korlátozza. Magas fordulatszámon két tipikus probléma lép fel: ha a szeleprugók nem bírnak követni, "szeleplebegés" lép fel, és a dugattyú-szelep érintkezés komoly károsodást okozhat a motorban. Emellett a kompresszorgyűrűk rezgése nyomás- és teljesítményveszteséget okozhat a hengerben. Röviden: annak a határát, hogy egy ütem milyen kicsi törtrészre szorítható egy másodpercen belül, az anyagszilárdság és a kenés jelöli ki.
Benzines vagy Dízelmotor: Ugyanaz a Körfolyamat, Más Gyújtás
A négyütemű körfolyamat lépései mindkét motornál azonosak; a különbség a munkaütemet elindító gyújtási módszerben rejlik. A benzines motor szikragyújtású: a gyújtógyertya gyújtja meg a sűrített keveréket. A dízelmotor viszont sűrítéssel gyújt; a sűrítés következtében keletkező magas hő öngyújtja a dízelmeghajtást, amely a motoron belüli nyomások alatt képes meggyulladni, így gyújtógyertyára nincs szükség. A dízel gyújtási hajlamát cetánszám jellemzi, ami az oktánszám logikájának pontos ellentétével működik. A dízel alacsony illékonysága miatt a hidegindítás leggyakoribb módja az izzítógyertya használata.
| Tulajdonság | Benzines motor | Dízelmotor |
|---|---|---|
| Gyújtás | Szikragyújtás (gyújtógyertyák) | Sűrítéses gyújtás (sűrítéshő) |
| Ütem | Otto ütem | Diesel ütem |
| Üzemanyag-ellenállási mérték | Oktánszám | Cetánszám |
| Kompresszióarány | Tipikus 6:1 – 10:1 | A kompresszió hőfoka magas, alkalmas az öngyújtásra |
| Fordulatszám-jellemző | Magasabb fordulatszámon működik | Alacsonyabb fordulatszámon működik; az üzemanyag lassabban ég el |
A dízel üzemanyag lassabb égése a benzinhez képest magyarázza, miért működnek a dízelmotorok alacsonyabb fordulatszámon; az alacsony fordulatszám pedig csökkenti a motor kopását. Ezért a két motor karakterbeli különbsége nem magából az ütemből, hanem az üzemanyag égési sebességéből ered.
Hogyan javítja a modern technológia ezt a 720 fokot?
Az alap ütem 1876 óta nem változott; az változott, hogy a 180 fokos szakaszok mindegyikét mennyire hatékonyan hasznosítják. Három modern fejlesztés emelkedik ki.
Változó szelepvezérlés (VVT)
A rögzített vezérműtengely a szelepeseményeket egyetlen fordulatszám-tartományra optimalizálja. A változó szelepvezérlés ezzel szemben a szelepemelés eseményének időzítését a motorfordulatszámhoz igazítva valós időben állítja be, ami optimális teljesítményeloszlást és gördülékenyebb gyorsulást biztosít. A levegő-üzemanyag keverék jobb kezelése javítja az égési hatásfokot; részterheléses körülmények között legfeljebb 5%-os üzemanyag-fogyasztás javulást mértek.
Közvetlen befecskendezés (GDI)
A ma használt számos négyütemű benzinmotorban alkalmazott közvetlen befecskendezésnél a befecskendező fúvókája az égéstérbe nyúlik, és a benzin nagyon nagy nyomással, a dugattyú felső helyzetében, a kompressziós ütem alatt kerül a hengerbe. Vagyis az üzemanyag már nem a szívóütemben, hanem a ciklus legkritikusabb szakaszában, milliméteres pontossággal kerül beadásra.
Turbofeltöltő: erőt kivenni a kipufogóütemből
A turbofeltöltő a kipufogó kimeneténél elhelyezkedő, nagy fordulatszámú, kétrészes turbinás egység: az egyik oldala a kipufogógázzal táplálkozik, a másik oldala a beszívott levegőt sűríti. A kipufogóütem többségében elvesztegodött energiát hordoz; a turbo ezzel a nyomással dolgozik, ezért hatékonyabban működik, és több levegőt kényszerít a hengerbe, így minden munkaütemből több teljesítmény nyerhető. Egy turbófeltöltéses vizsgálatban a kimenő teljesítmény 165%-kal javult az atmoszferikus típushoz képest. A tervezés ismert korlátja a turbólyuk: a teljesítmény nem érkezik azonnal, fordulatszám- és nyomásnövekedés szükséges; alapjáraton és alacsony-közepes fordulatszámon a motor szinte atmoszferikusként működik.
A hatásfok plafonja és egy rövid történelem
Egy belső égésű motor a bevitt energia átlagosan mindössze 40-45%-át alakítja mechanikai munkává; a leghatékonyabb Otto ütemű motorok körülbelül 30%-os termikus hatásfokkal működnek, a maradék hő a súrlódás és a kiegészítők révén vész el. Sőt, a motorok szándékosan kissé kevésbé hatékonyan építhetők fel az olyan emissziószabályozók miatt, mint a katalizátor. Az Atkinson ütem ezzel szemben a hatásfokot a teljesítménysűrűség rovására biztosítja, és modern hibrid alkalmazásokban használják; számos modern motor nem szokványos szelepvezérléssel valósítja meg ezt a gazdálkodást a rövid kompressziós és hosszú munkaütem hatásának létrehozásához.
A történelem is tanulságos: Otto 1861-ben a Lenoir-motor tesztelése közben vette észre a sűrítés hatását a hatásfokra; 1876-ban Otto és Langen megalkotta az első sikeres belső égésű motort, amely az égés előtt sűrítette az üzemanyag-levegő keveréket. 1883-ban Daimler és Maybach megépítette az első nagyfordulatú Otto-motort, 1885-ben pedig a Daimler Reitwagennel a világ első belső égésű motorral hajtott járművét készítette el; 1886-ban Karl Benz kifejlesztette a négyütemű motorral működő járművét, amelyet az első autónak tartanak. A dízelmotor az 1876-os Otto-ciklus technikai finomítása: Rudolf Diesel sikeres motorját 1893-ban alkotta meg. Ma a négyütemű kivitel a közúti járművek legelterjedtebb belső égésű motor architektúrája, az autóktól a teherautókig, a dízel vonatoktól a könnyű repülőkig és a motorkerékpárokig terjedő skálán.
Konklúzió: A 180 fokos négy szelet
A négyütemű motor teljes fizikája a főtengely 720 fokos fordulatának négy szeletre osztható részeire redukálható: vákuumos töltés, zárt térben történő sűrítés, egyszer munkát végző égés és a kitisztítás. A vezérlés, a befecskendezés és a turbó technológiái mind ugyanazt a célt szolgálják: hogy e szeletek minden ezredmásodpercéből több hatásfokot csikarjanak ki. Ha ez az alap tisztázódik, a kompresszióviszonytól a turbólyukig a motortechnológia többi része sokkal olvashatóbbá válik.