7. fejezet - A Belsőégésű motor üzeme

A belsőégésű motor olyan gép, amelyben a kémiai energia, égés útján hővé alakul, amit gázhalmazállapotú munkaközeg mechanikai munkává alakít át. A folyamatban az energia elsősorban potenciálisan nyomás formájában jelenik meg.

Napjainkban a belsőégésű motorok között a dugattyús motorok szinte egyeduralommal rendelkeznek. A náluk használatos alapvető elnevezések, jelölések az 7.1. ábra láthatók.

A motorok kialakítását alapvetően befolyásoló tényezők a munkafolyamat és a konstrukció. A munkafolyamat szempontjából meghatározó:

A konstrukció szempontjából lényeges:

A működési elv szerint megkülönböztetünk négyütemű (szívás, kompresszió, expanzió, kipufogás) és kétütemű (szívás + kompresszió, expanzió + kipufogás) illetve egyéb rendszereket pl. Atkinson ciklus, Wankel, stb.. Négyütemű motornál a teljes munkafolyamathoz négy löket szükséges, míg a kétütemű motornál két löketre van szükség. A friss töltet bejuthat a hengertérbe szívás, illetve feltöltés útján. Ha a közeg a külső atmoszférából közvetlenül a motorba áramlik, akkor szívómotorról beszélünk. Ha a motor hengerterébe a dugattyú elmozdulásának megfelelő térfogat-növekedésnél az atmoszférikus állapothoz képest több munkaközeg áramlik be, akkor a motor feltöltött. A nagyobb sűrűségű közegnek a hengertérbe juttatásához leggyakrabban centrifugális kompresszort és vele közös tengelyen található gázturbinát alkalmaznak, ilyenkor turbótöltött motorról beszélünk.

A belsőégésű motorok folyékony és gáznemű tüzelőanyagok alkalmazhatók - esetleg ezek keverékei. A leggyakrabban alkalmazott tüzelőanyagok a benzin, gázolaj, és különböző gázok. Gazdasági és környezetvédelmi meggondolásokból megújuló eredetű tüzelőanyagokat, illetve ezek és hagyományos tüzelőanyagok keverékeit is használják (növényi olaj észterek, etanol, DME, biometán stb.).

A levegő-tüzelőanyag keverék képzése történhet a motor hengerterén kívül (külső keverékképzés) és a motor hengerterén belül (belső keverékképzés). Míg a külső keverékképzés a hagyományos benzin- és gázmotorokra jellemző, addig a gázolajjal működő motorok és az un. direkt befecskendezése benzin motorok belső keverékképzést alkalmaznak.

A tüzelőanyag égése elsősorban a felső holtpont közelében az égéstérben (kompressziótérben) játszódik le. Az égéstér alakja az égés intenzitását és lefolyását alapvetően befolyásolja. Az égéstér a hengertérrel közös lehet (osztatlan égéstér). Osztatlan égéstér esetén a keverékképzéssel szembeni követelmények nagyobbak.

A tüzelőanyag-levegő keverék gyújtásához szükséges energia biztosítható külső energiával (pl. villamos szikrával). Ezek az un. szikragyújtású motorok, amiket feltalálójuk után Ottó-motoroknak is nevezünk. Ha a tüzelőanyag-levegő keverék hőmérséklete a kompresszió során a gyulladási hőmérséklet fölé emelkedik, akkor a keverék önmagától is meggyullad. Ezek a kompresszió gyújtású motorok, amiket népszerűen Diesel-motoroknak nevezünk.

A hengerek elrendezése szerint megkülönböztetünk: álló, fekvő, lógó, csillag, W, „bokszer”, V-motorokat, stb. A leggyakrabbak az álló motorok, illetve annak kissé dőlt változata a ferde motorok. A hengereket többnyire egymás után helyezik el (soros motorok), de elhelyezhetők egymással szemben is (pl.: 180fokos V-motor, illetve bokszer motorok).

A gázcsere folyamat vezérlése elsősorban szelepek segítségével történik, a kialakítás alapján több típus is létezik. Elhelyezés szempontjából lehet oldalt (SV) vagy felül szelepeltek. A szelep nyitás vezérlés is lehet alulvezérelt (OHV^[3]), vagy felül vezérlet. Ez utóbbi lehet egy (OHC) vagy két vezérműtengelyes (DOHC). A szelepvezérlés nyitási és zárási időpontja lehet állandó vagy változtatható paraméterű, ezek számos típusa terjedt el pl. VVT-i, VANOS, AVS, VTECH, stb.. Résvezérlést (dugattyúvezérlést) elsősorban a (régebbi típusú) kétütemű motorokhoz alkalmaztak.

A motorok hűtése történhet levegő vagy víz segítségével. A léghűtés a kisebb motorokra jellemző, míg nagy motoroknál az intenzívebb hűtés érdekében kizárólag vizet alkalmaznak.

A motorok hengerterében elégetett tüzelőanyag kémiai energiája (Q _be –bevezetett hőenergia) a fellépő veszteségek miatt nem alakítható át teljes egészében a motor tengelyén hasznosítható W _e effektív munkává. A bevezetett hőenergia:

Ahol d _t a dózis (egy munkafolyamatba bevezetett tüzelőanyag tömege, H _i a fűtőérték.

Effektív munka:

A motor veszteségeit három fő csoportba soroljuk:

A veszteségek egy része jól szemléltethető a motorok p-v diagramjában. (7.2. ábra)

Az elméleti körfolyamatban a sűrítés adiabatikusan történik (lásd 7.2. ábra 1-2 görbe). A hőbevezetés történhet állandó térfogaton (2-3 szakasz) és/vagy állandó nyomáson (3-4 szakasz). Az állandó térfogaton történő hőbevezetést közelítő Ottó-körfolyamatnak, míg az állandó nyomáson történő hőbevezetést közelítő Diesel-körfolyamatnak szokás nevezni. Az expanzió adiabatikusan történik (4-5 görbe). Ahhoz, hogy a körfolyamatban visszajussunk az 1 kiindulási állapothoz, állandó térfogaton hőt kell elvonni (5-1 szakasz). A motor alapvető vesztesége a tökéletes motor munkafolyamatából (elméleti munkafolyamat) elvont hőmennyiség: Q_el.

Az alapvető veszteséget a termikus hatásfokkal jellemezzük:

A termikus hatásfok elsősorban a kompresszió nagyságától () függ és csak kisebb mértékben egyéb paraméterektől (légfelesleg, κ, állandó térfogaton és állandó nyomáson bevezetett hőenergia aránya). Jellemző változása a 7.3. ábra látható.

Amint ez a 7.3. ábra kitűnik, a kisebb kompresszió értékeknél a sűrítés növelésével jelentős hatásfok-növekedés érhető el. Ezért van az, hogy Ottó-motoroknál, ahol az ε értéke kb. 6-12 között változik, törekednek a sűrítés növelésére. Ezzel szemben Diesel-motoroknál, ahol ε=16-24 között változik, a sűrítés növelése már nem eredményez jelentősebb hatásfok-növekedést.

A valóságos motor égésterében a nyomás lefutása – indikátordiagramja - lényegesen eltér az elméleti körfolyamattól a motorikus belső veszteségek miatt.

A valóságos munkafolyamat számos tényező miatt eltér az elméleti körfolyamatoktól. Ezek a tényezők a következők:

A tárgyalt motorikus belső veszteségeket figyelembe véve jutunk el a valóságos folyamathoz. Ez az indikált munka, amely a gáz által (W+) és a gázon végezett (W-) munka eredője.

A belső veszteségeket a jósági fok jellemzi:

Az indikált hatásfok pedig:

Az indikált munkának csak egy része jelenik meg a motor tengelyén a mechanikai veszteségek miatt. A mechanikai veszteségek egyrészt a mozgó alkatrészek súrlódási veszteségeiből, másrészt a segédberendezések (olajszivattyú, vízszivattyú, hűtőventilátor, adagolószivattyú, gyújtóberendezés, stb.) hajtásához szükséges energiából tevődik össze. A mechanikai veszteségeket a mechanikai hatásfokkal jellemezhetők:

A motor tengelyén kinyerhető munkát pedig az effektív hatásfok fejezi ki:

A motor munkafolyamatát a motor hengerterében kialakuló nyomással jellemezzük. A nyomás térfogat szerinti vagy szögelfordulás szerinti változását indikátordiagramnak szokásnevezni. A diagramok jellemző alakjai és elnevezései (7.2. ábra) ábrán láthatóak p-v diagram egy „+” részből (főmunkafolyamat) és egy „-„ részből (gázcsere) áll. Ha ezeket a területeket egy téglalappá alakítjuk át, akkor annak függőleges oldalát a p_iindikált középnyomás alkotja. A p_i olyan képzeletbeli állandó nyomás, amely a löket mentén ugyanazon munkát eredményezi, mint a tényleges nyomáslefutás. (pi azért indikált, mert az indikátordiagram segítségével származtatjuk). A motor egyik alapvető jellemzője az indikált teljesítmény a következő képlet segítségével számítható:

ahol:

Az indikált középnyomás analógiájára beszélünk effektív középnyomásról is, ez az effektív teljesítményből számított középnyomás. Amely jó összehasonlító adat, meghatározása:

A motor másik alapvető jellemzője a tüzelőanyag fogyasztása, ami a munkafolyamat fenntartására fordított tüzelőanyag tömeg- vagy térfogatáramával illetve a bejuttatott hő-árammal jellemezhető. Mivel ezen értékek alapvetően függenek a motor teljesítményétől, ezért a P [kW] teljesítményre vonatkoztatott B [g/h] a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás használata terjedt el.

Dugattyú középsebessége az a képzeletbeli sebesség, amellyel a dugattyú ugyanolyan utat tesz meg, mint változó sebesség mellett.

ahol:

Tüzelőanyag-adag (dózis) alatt a munkafolyamat egy periódusába (ciklusába) bevezetett tüzelőanyag mennyiséget értjük, amelyet tömeg-, illetve térfogategységre adunk meg.

d _t [mg/cikl.] illetve d _v [mm³/cikl.]

Az tüzelési folyamatok, így a belsőégésű motorokban is lezajlódó égési folyamat tüzelőanyag-levegő keverék egyik fontos mérőszáma a légfelesleg tényező. Ennek megértéséhez célszerű felírni az pl. az oktán elméleti égési folyamatát:

Levegővel felírva:

Tömegekkel felírva:

Végig osztva 114-el:

Ezek alapján 1 kg oktán tökéletes elégetéséhez 15,06 kg levegőre van szükség és 16,06 kg füstgáz keletkezik (V ₀ ). Ez az L ₀ értéket (oktán) elméleti égési levegő igénynek nevezzük. A légfelesleg tényező (λ) megadja, hogy a tüzelőanyaghoz rendelkezésre álló levegő tömege hogyan viszonyul az égéshez szükséges elméleti levegő tömegéhez:

A légfelesleg tényező jelentősen befolyásolja a motor hatásfokát, teljesítményét és a károsanyag kibocsátást. Legnagyobb teljesítményt 0,9-0,95 légfelesleg tényező (léghiányos keveréknél) esetén lehet elérni, míg legnagyobb hatásfokot ~1,1-es légfelesleg tényező mellet lehet elérni.

A motorok összehasonlítása céljából további jellemzők alakultak ki:

A fejezetben a belsőégésű motorok teljes terheléses jelleggörbéi az adott fordulatszámokhoz tartozó maximális azaz nem leszabályozott paraméterinek változás a fordulatszám függvényében. Ezek a paraméterek a nyomaték (M), fajlagos fogyasztás (b _e ) és effektív teljesítmény (P _e ). Amint azt az előző fejezetben is láthattuk a töltési fok jelentősen függ a fordulatszámtól. Azonban nem csak a töltési fok befolyásolja a vizsgálat paramétereket. A fordulatszám függvényében a mechanikai veszteségek négyzetesen növekednek, miközben az egy ciklusra vonatkoztatott hőveszteség csökken mivel a hőátadás időtartama folyamatosan csökken. Ezt részben kompenzálja, hogy a nagyobb áramlási sebességek hatására nő a hőátadás (7.11. ábra).

A fentiek alapján a következő tartományokra bonthatók a vizsgálat paraméterek a fordulatszám függvényében:

A nyomaték maximuma és a fajlagos fogyasztás minimuma nem feltételen ebben a sorrendben jelentkeznek minden típusnál!