A háromhengeres motorok főtengelye: Fejlődés, előnyök és jövőbeli technológiák
Leginkább előítéletek jellemzik a háromhengerű motorok megítélését, főleg a négyüteműeket a köztudatban. Sokaknak a Suzuki, illetve Maruti vagy Opel Corsa (X10XE) motorok jutnak az eszükbe, és emiatt nem meglepő, hogy kétkedve fogadják a manapság érvényes motorépítő trendet: vajon mit lehet kihozni ezekből.
Napjainkban a háromhengerű motorokat egyre több gyártó alkalmazza, a VW benzines és dízelmotorja mellett most a Ford 1,0 liter lökettérfogatú került a rivaldafénybe, mivel megkapta az idei „Nemzetközi Év Motorja Díjat”. Megkezdte a PSA is a gyártásukat.
A háromhengerűek előretörése annak köszönhető, hogy hátrányai kiküszöbölhetők és közben olyan előnyöket tud felsorakoztatni a többhengerűekkel szemben, mint a kisebb tömeg- és helyigény, a kisebb súrlódási veszteség, a kisebb gyártási költségek, valamint az ezekből fakadó kedvezőbb tüzelőanyag-fogyasztás és károsanyag-kibocsátás. Ők lehetnek a „downsizing” nyertesei.
Nézzük meg fejlődéstörténetüket, amíg eljutottak a mai szintre, és mutassuk be a ma és jövőben alkalmazható technológiai sajátosságaikat.
A háromhengeres motorok története
A történet egészen az 1950-es évekig nyúlik vissza. A II. világháború alatt nagy fejlődés történt a járműiparban, amit a ’40-es évek végén és az ’50-es években a polgári járműveikben is alkalmaztak.
A Felicia története és fejlesztése
Két irányzat indult el. Az egyik főleg az Egyesült Államokra volt jellemző, de Európában és Oroszországban is elterjedt a nagyobb tömegű autókban: a lényege az volt, hogy lehetőleg nagy motort tegyenek a járművekbe a kellő dinamika eléréséhez. A V8-asok mellett gyakoriak voltak a V12-es motorok is.
A másik irányzat viszont arra irányult, hogy a kisemberek számára eladható, olcsó, könnyű felépítésű járműveket gyártsanak. A funkció volt elsődleges, nem pedig a kényelem. Ahhoz, hogy javítsák a dinamikát, átvették a motorkerékpároknál is alkalmazott kétütemű-technológiát.
Így történt, hogy az '50-es években megjelenő háromhengerűek kétüteműek voltak. Ezeket a Saab 93/95/96-ban és egyes DKW modellekben alkalmazták, majd a Wartburg és az FSO Syrena is átvette a későbbiekben.
1977-ig kellett várni az első négyütemű háromhengerű motorra, ugyanis ekkor jelent meg a Daihatsu Charade a 993 cm3 lökettérfogatú CB20 jelű 37 kW teljesítményű motorral. A Daihatsu sok tekintetben úttörő volt a háromhengerű motorok terén, hiszen már az első motorjukat is ellátták kiegyenlítőtengellyel a finomabb járás érdekében. A ’80-as években továbbfejlesztették ezt a motort, közben készítettek egy 843 cm3-ű verziót is, amely alkalmas volt kis oktánszámú benzinnel is üzemelni, és készítettek olyan verziót, ami etanolüzemű volt.
A második generációs Charade-nak (G11) már kapható volt az 1,0 literű motorja: szívóbenzin, turbóbenzin, szívódízel és turbódízel változatban is kapható volt. Készült egy 926 cm3-ű turbóbenzin verzió is a DeTomaso céggel (amely híres volt középmotoros sportautóiról), ami a B-csoportos ralin indult volna az 1600 cm3 alatti kategóriában (azért kellett levinni a lökettérfogatot, hogy az 1,7-es szorzó ellenére - ami a turbóért jár - se kelljen az 1600-2000 cm3 kategóriában versenyezniük).
Legrand biztosíték típusok áttekintése
A B-csoportos rali betiltásával az A csoportban kellett volna versenyezniük, aminek feltétele volt, hogy 5000 középmotoros Charade-ot kell gyártaniuk, ezért leállították a projektet. A 120 lóerős motornak egy visszafogottabb utóda található a következő generációs Charade-okban 101 lóerő teljesítménnyel.
A Daihatsuval majdnem egy időben kezdődött egy másik japán cég háromhengerű motorjainak gyártása. 1979-ben mutatták be Suzuki F5A jelű motorját, amelyet az Altóba és a Frontéba építettek. 543 cm3 lökettérfogatával ez a motor az eddig épített legkisebb négyütemű, háromhengerű motor. A Daewoo Tico és Matiz is kapható volt ilyen lökettérfogatú S-TEC benzinmotorokkal.
Az első generációs Suzuki Swift már 1,0 liter lökettérfogatú háromhengerű motort kapott a négyhengerűek mellé. Külön érdekességképp megjegyzendő az 1984-es Alfa Romeo 33-ba épített 1,8 literű háromhengerű turbódízel motor, ami a járművekben alkalmazott legnagyobb lökettérfogatú háromhengerű motor. Általánosságban viszont elmondható, hogy 1,2-1,4 liter lökettérfogat alatt alkalmazzák a háromhengerűeket.
Három henger kontra négy: Melyik a legjobb motor az Ön számára? | John Cadogan autószakértő
Az ezredforduló utáni fejlődés
A 2000-es évek közepe újabb lökést adott a hanyatlóban lévő sorhármasoknak. A technológia fejlődése és a károsanyag-kibocsátási normák nagymértékű szigorítása, a „downsizing” folyamata és a dráguló tüzelőanyagárak vezettek ahhoz, hogy az európai gyártók, köztük is főleg a VW, belekezdjenek a háromhengerűek fejlesztésébe.
Kompresszor karbantartás lépésről lépésre
2002-ben debütált a 1,2 liter lökettérfogatú szívómotor 6 és 12 szelepű verzióban is. Nem számított sikeres konstrukciónak, a következő generációs Polóba már nem is építették. Megjelent viszont az 1,4 literű TDI motor a Lupóhoz, Polóhoz és A2-höz. Ennek kisebbik verziója, az 1,2 literű TDI a Lupo 3L-ben debütált és nagyon jó tüzelőanyag-fogyasztási tulajdonságokkal rendelkezett.
A Mercedes is fejlesztett 3 hengerű erőforrást a Smart ForTwóba, melyet a Mitsubishi is felhasznált a Coltban. A Honda egy 1,0 literű 3 hengerű belső égésű motort használt az első generációs Insightban egy kis teljesítményű elektromos motorral együtt.
Ezek csak azok a motorok, melyeket piacra dobtak az előző évtizedben, viszont nagyon sok fejlesztés történt, melynek gyümölcse csak most érik be.
A jelen és a közeljövő
Mára már alig akad olyan autógyártó, aki nem mutatta be háromhengerűjét vagy nem harangoztatta be annak piacra dobását.
A Volkswagen nemrég mutatta be az 1,0 literű szívócső-befecskendezéses benzinmotorjait és CNG üzemű motorját, melyet az Up-ba szerelnek. A benzinmotorok 44 és 55 kW teljesítményű verziókban érhetők el, a CNG üzemű motor pedig 50 kW leadására képes.
A legújabb háromhengerű konstrukciókhoz hasonlóan nincs kiegyenlítőtengelye, és gondosan ügyeltek a kompaktságra és egyszerűségre. Ez abban jelentkezik, hogy csak a szívószelep-vezérműtengely állítható, integrált a leömlő, nem alkalmaznak feltöltést, a könnyűépítés miatt pedig az egész motor alumíniumból készül.
A Ford 1,0 EcoBoost motorját már nem kell bemutatni, hiszen az előző számban minden részletét elemeztük. Nagyon hasonlít a Ford konstrukciójához a Renault TCe 90 jelzésű motorja, amely 900 cm3 lökettérfogatú, 66 kW teljesítményű, 135 Nm leadására képes és 25%-os fogyasztáscsökkenést várnak tőle az előző modellhez képest.
Legfontosabb tulajdonságai: nagy tumble áramlás a jó keveredés érdekében, szabályozható olajszivattyú (a Fordhoz hasonló rendszer), a középsíkból eltolt főtengely, fékezési energia visszanyerés, stop-start rendszer, 2 körös hűtőfolyadék-rendszer, változtatható szívószelep-vezérlés és fogaslánchajtású vezérlés. A motor az új Clióhoz rendelhető.
A másik nagy francia gyártó, a PSA 1,0 és 1,2 VTi benzinmotorjai először a 208-ban érhetők el 50, illetve 60 kW teljesítményű változatban. Nem közvetlen befecskendezést használnak, viszont a többi tekintetben a motor beleillik az előbb említett turbósok csoportjába.
A Mahle cég leginkább mint gyári beszállító él a köztudatban, pedig nem elhanyagolható motorfejlesztő tevékenységet folytatnak és 2011-ben bemutattak egy 1,2 literű háromhengerű benzinmotort, ami 108 kW és 240 Nm leadására képes.
2013-tól lesz elérhető a BMW új hibrid sportkocsija, az i8, amelynek hátsó kerekeit egy 1,5 literű háromhengerű 164 kW-os TwinPower Turbo benzinmotor hajtja, elöl pedig 2 elektromos motor található.
A BMW-nél arra a következtetésre jutottak, hogy kb. 500 cm3 lökettérfogatú hengerekkel lehet optimális égésteret kialakítani, ezért lesz a sorhármasuk 1,5 literű, a négyhengeres motorjaik 2,0 literű, a hathengeresek pedig 3,0 literűek. Az új háromhengerűt a későbbiekben lehet, hogy felhasználják más modellekben is.
Azonban nem csak benzinmotorokat fejlesztenek három hengerrel. A VW folytatta az 1,2 TDI fejlesztését és még mindig rendelhető vele a Polo. A Kia az 1,1 literű CRDI motorral lépett be a háromhengerűek piacára, és a Mazda is egy hasonló lökettérfogatú háromhengerű dízellel állt elő.
Összességében elmondható, hogy a benzinmotorok körében elterjedtebb, de a későbbiekben valószínűleg a dízelek körében is teret nyernek a sorhármasok.
Mivel nagyon sok tévhit kering a háromhengerűekkel kapcsolatban, ezért igyekeztünk összegyűjteni minden információt arról, hogy miért terjedtek el, és milyen negatív tulajdonságaik vannak.
Fogyasztás és kibocsátás
Napjainkban az elsődleges cél a CO2-kibocsátás csökkentése, melynek eléréséhez a fejlesztőknek a motor hatásfokát kell növelniük. A hatásfoknövelés lehetőségét elsősorban a motor mechanikai (súrlódási) veszteségeinek csökkentése adja. Ha növelni lehet a fajlagos teljesítményt, egyre kisebb lökettérfogatú motorok is elegendőek.
A csökkenő lökettérfogat magával hozza a hengerszám csökkenését. A kutatók úgy találták, és ezt már régen tudjuk, hogy a legjobb hatásfokú energiaátalakítás kb. 300 cm3 lökettérfogatú hengerben megy végbe.
Most nézzük meg, hogy a hengerek számának csökkentése milyen hatással van a belső veszteségekre. Erre példaként elvégeztünk egy egyszerű számítást, amelyben egy ugyanolyan lökettérfogatú és löketű 3 és 4 hengerű motor dugattyúgyűrűjének kerületét hasonlítottuk össze. A számítás eredményeként azt kapjuk, hogy 16%-kal nagyobb felületen érintkeznek egy négyhengerű motor dugattyúgyűrűi egy háromhengerűéhez képest.
Ehhez még hozzáadódik a kevesebb csapágyból adódó súrlódáscsökkenés. Ezt alátámasztják azok a mérési eredmények, melyek szerint 20%-os súrlódáscsökkenést jelent, ha 3 hengert alkalmaznak 4 helyett. Mivel a motor belső súrlódásából származó veszteségek nagyban befolyásolják a tüzelőanyag-fogyasztást, ezért ez fontos előny.
Emellett az előállítás költsége is csökkenthető, mivel kevesebb alkatrészből áll, hiszen kevesebb dugattyú, szelep, befecskendező, csapágy stb. kell az összeszereléshez. A méretéből adódó előnyök sem elhanyagolhatók, mivel egyre több segédberendezés és kipufogógáz-utókezelő található a motor körül. A motortér kialakításakor a nagyobb tervezői szabadság előnyösebb konstrukciót eredményezhet, ebbe beletartozik a szerelhetőség is, ráadásul a tömegcsökkenés is jelentős.
A PSA 1,2 VTi esetében például 21 kg csökkenést értek el az előző 4 hengerű motorhoz képest. Nagyon jól illeszthető az új technológiákhoz a közvetlen befecskendezés, a turbófeltöltés, a kompakt építés, hiszen az előbb kiszámolt nagyobb dugattyúátmérő miatt a befecskendező, a gyújtógyertya és a szelepek elhelyezése egyszerűbb, a 3 henger együttdolgozása során pedig nem zavarják egymást a hengerek (240 főtengely°-onként van gyújtás), így a kipufogócsonk olyan rövid lehet, hogy beépíthető a hengerfejbe, ezáltal a turbófeltöltő hőterhelése csökken, a motor gyorsabban melegszik fel. A felsorolt előnyöknek köszönhető, hogy sok esetben 15-20% tüzelőanyagfogyasztás-csökkenést értek el az új európai tesztciklusban.
Zaj, vibráció, egyenetlen járás
A legtöbb negatív kritikát a háromhengerűek természetéből adódó egyenetlen járás és vibráció miatt kapta a konstrukció, főleg elméleti síkon, hiszen ha valaki kipróbálja valamely új konstrukciót, tapasztalhatja, hogy e téren is sokat fejlődtek a sorhármasok. A háromhengerű négyütemű motorok szerkezeti és működési adottságaiból kiindulva két fő ok van, ami miatt a négyhengerűekhez képest több figyelmet igényel: a tömegkiegyensúlyozás és az egyenletes, csendes járás biztosítása.
A fejlesztés jelszavai: a forgattyús mechanizmus elemeinek tömegcsökkentése, a kiegyensúlyozás, kéttömegű lendkerék és ékszíjtárcsába épített lengéscsillapító.
Az első és könnyebben magyarázható indok az, hogy a 2 főtengelyfordulat alatt 3 munkaütem zajlik le, ami azt jelenti, hogy 720 főtengely°-ból 3x180=540 főtengely°-ban ad le a motor nyomatékot főtengely-geometriától függetlenül, vagyis a működése negyedében „motorfékben” üzemel.
Az egyenetlen nyomatékleadás kiküszöbölésére nagyobb lendkereket alkalmaznak, amely tárolja a munkaütemben felvett energiát és motorféküzemben „hajtja” a motort, hogy minél kisebb legyen a szögsebesség-ingadozás, amely kb. 1/300-1/100-ad része lehet a közepes szögsebességnek egy gépjárműmotor esetén.
A másik, nehezebben kezelhető probléma az, hogy a négyhengerűekkel ellentétben a háromhengerűek főtengelye túlnyomó többségben térgeometriájú, 120°-ban helyezkednek el egymáshoz képest a hajtórúdcsapágyak. Ez az elrendezés szabad nyomatékokat eredményez a motorban.
Cikkünkben szeretnénk egy részletesebb leírást adni a tömegkiegyenlítésről azoknak, akik mélyebben is szeretnének elmerülni a témakörben, külön részletezve a 120°-os elékelésű forgattyústengellyel rendelkező háromhengerűek esetét, mivel ebben a témakörben találtuk a legtöbb félreértést és hiányosságot a motorleírások körében.
A „tudományos” leírás lényege az, hogy a sorhármasok egyenletes járásához az ideális forgattyústengely-elékelés 120°. Ezzel viszont térbeli lesz a tengely, ráadásul nem szimmetrikus. A forgó és alternáló tömegerőkből és a gázerőből származó erők a forgattyústengelyt terhelik. Ha a motoron belül ezek az erők kiegyenlítődnek, akkor a motor finoman jár, nem rángatja a motorbakokon keresztül a karosszériát.
A háromhengerű motorok esetében a forgó tömegerők és a forgó tömegerőkből származó nyomatékok kiegyenlíthetők a szokásos módszerrel, vagyis a forgattyústengelyen elhelyezett „sonkákkal”. Ezen ellensúlyok elékelése 30°. A térforgattyús főtengely miatt viszont billentőnyomaték ébred a motorban.
Ez úgynevezett szabad nyomaték, aminek sajátossága, hogy nem a motort csavarja, hanem a motorfüggesztő bakokra adódik át. Az alternáló erők többrendű erőkre bonthatók fel, és ez alapján többrendbeli nyomatékok lépnek fel. A rendszám növelésével csökken az erő hatása, ezért az első- és másodrendű erők és nyomatékok kiegyenlítése az elsődleges cél.
Mivel a háromhengerűek esetén elsőrendű nyomatékok is maradnak, ezért ezek kiegyenlítése a legfontosabb. Ez tökéletesen 2 egymással szemben, a motoréval megegyező fordulatszámmal forgó kiegyenlítőtengellyel lehetséges.
Nagyon ritkán alkalmazzák ezt a megoldást a bonyolultsága miatt, de a VW 1,2 TDI motorjában megtalálható (1. és 3. ábra). A gyakorlatban inkább a lengéscsillapítókkal kombinált kéttömegű lendkereket és a főtengelyre szerelt rezgéscsillapítókat alkalmazzák.
Ezeknek a feladata, hogy a főtengely szögsebesség-ingadozásából származó torziós rezgéseket elnyeljék. A lendkerék feladata, hogy csökkentse a szögsebesség-ingadozást, a rezgéscsillapító pedig a torziós rezgéseket nyeli el.
A rezgéscsillapítók lehetnek egyszerű gumibakok a motor felfüggesztésénél, de lehetnek bonyolultabb, ékszíjtárcsába épített lengéscsillapítók. A tömegkiegyenlítéshez hozzátartozik a dugattyúk, hajtókarok és a forgattyústengely súlyának pontos meghatározása és minőségi gyártása.
Nem szabad elfelejteni, hogy minden motor vibrál valamilyen mértékben. A különbség az, hogy a háromhengerűeknél ez a vibráció nagyobb frekvenciájú, mint a négyhengerűeknél, ezért a motorhang is más. Az újabb konstrukcióknál a zajszigetelésre is odafigyelnek, ezért nem feltétlenül zavaró a hangja.
Érdekes kísérlet, hogy egy háromhengerű motorba egy kiegyenlítőtengelyt tesznek, ami a motoréval megegyező fordulatszámmal forog. Ebben az esetben a motor vibrációja csökken, de a motorhangja megmarad. Ez a hang sokaknak tetszik, mert sportosabbnak tűnik, mint egy négyhengerű motor hangja.