Benzinmotor Fordulatszámának Működési Elve és Optimalizálása
A hagyományos meghajtású autóknál ma már nagyjából mindenki tudja, hogy mi a különbség a benzin és a dízel vagy a kétütemű és a négyütemű motorok között. A belsőégésű motor olyan gép, amelyben a kémiai energia, égés útján hővé alakul, amit gázhalmazállapotú munkaközeg mechanikai munkává alakít át. A leggyakrabban alkalmazott tüzelőanyagok a benzin, gázolaj, és különböző gázok. 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.
A Benzinmotor Története és Fejlődése
Az emberek az ipari forradalom kezdete óta igyekeztek egyre kevesebb emberi és állati erőforrás felhasználásával, egyre nagyobb munkát elvégezni. Ennek egyik legelső kielégítő próbálkozása James Watt (1736-1819) nevéhez fűződik, aki elkészítette az első működő gőzgépet. A gőzgépe indította el az emberiséget a túlnyomórészt földműveléssel foglalkozó társadalmaktól a technológia- és innováció-központúak felé. A James Watt által létrehozott gőzgép alacsony hatásfoka és nagyfokú veszélyessége miatt arra buzdította a mérnököket, hogy más alternatívákat keressenek. Idő közben a gőzgép fejlődése során megszületett az egyszerűsített forgattyús mechanizmus, így a dugattyús belsőégésű motorok számára rendelkezésre álltak az erőátviteli szerkezetek.
1860 körül a francia feltaláló (belga származású) Jean Joseph Etienne Lenoir (1822-1900) elkészítette világítógázzal hajtott és működőképes belsőégésű motorját. Lenoir egy galvángyárban dolgozott, mikor rájött arra az ötletre, hogy egy gázmotorban a levegő-üzemanyag keveréket elektromos szikrával meg lehet gyújtani. 1860. január 24-én Lenoir szabadalmat kapott egy belső égésű motorra, és ennek az évnek a végére a motor megépült. A motor gyújtógázzal üzemelt előzetes tömörítés nélkül. Lenoir a tervét egy vízhűtő- és kenőrendszerrel egészítette ki. Ez volt az első működő, és a mindennapi életben felhasználható gázmotor. Ez a modell azonban tökéletlen volt, a hatásfoka nem haladta meg a 3- 4%-ot.
Nikolaus August Otto német feltaláló először konstruált működőképes négyütemű belsőégésű motort, amelyet róla neveztek el Otto-motornak, majd üzemanyaga után benzinmotornak. 1861-ben Nikolaus August Otto (1832-1891) kölni kereskedő kísérletezett összenyomott keverék meggyújtásával, amely négyütemű séma szerint működött: szívás, kompresszió, munkalöket, kipufogógázok elvezetése. Bár a négyütemű motor elvét Alphonse Beau de Rochas francia mérnök már 1862-ben feltalálta, amit szabadalmaztatott is, a megvalósítás Otto érdeme. 1875 végén N.A. Otto befejezte egy, a világon alapvetően új 4 ütemű motor projektjének fejlesztését. 1878. március 13-án N.A. Otto megkapta az 532. számú német szabadalmat. 1877-ben került szabadalom alá a Császári Szabadalmi Hivatal által a Deutz gyár neve alatt.
1883-ban Daimler és Maybach elkészítette a nagy fordulatszámú, izzócsöves gyújtású négyütemű benzinmotort. Az 1889-es párizsi világkiállításon Benz autója volt az egyetlen autómobil. Azóta fejlesztik, csiszolgatják a konstrukciót, aminek működési alapelve az idők folyamán semmit sem változott.
Toyota Auris hibrid részletes adatok
A Négyütemű Otto-motor Működési Elve és a Fordulatszám
A motorok kialakítását alapvetően befolyásoló tényezők a munkafolyamat és a konstrukció. A működési elv szerint megkülönböztetünk négyütemű (szívás, kompresszió, expanzió, kipufogás) és kétütemű motorokat. Négyütemű motornál a teljes munkafolyamathoz négy löket szükséges. A négyütemű benzinmotor lényegében négy egységből: motorház, forgattyús mechanizmus, szelepvezérlés, keverékképző rendszer és még járulékos segédberendezésekből áll.
1. Szívás (Első ütem)
Az első ütemben történik a levegő-üzemanyag keverék beszívása. Amikor a dugattyú elindul lefelé a hengerben, akkor elkezd nőni a térfogat, és csökken a nyomás a hengerben. A lefelé haladó dugattyú maga után szívja a porlasztóból a benzin-levegő keveréket. Ekkor a kipufogó szelep zárva van. Amikor a dugattyú eléri az alsó holtpontját, a szívószelep bezár, a dugattyú fölötti hengertér teljesen feltöltődik a benzin-levegő keverékkel.
Ha a szívószelep csak addig lenne nyitva, amíg a dugattyú eljut a felső holtpontról az alsó holtpontig, akkor a hengert nem lehetne a kellő mértékig feltölteni. A szívó szelepnek a felső holtpont előtt már nyitva kell lennie. Ez azt eredményezi, hogy az előző, kipufogás ütem még javában zajlik, de már a szívás is elkezdődik. Az alsó holtpont után is még nyitva van a szelep, és így sikerül használható mértékben feltölteni a hengert. A dugattyú a legfelső helyzetről (felső holtpont) a legalsó helyzetre (alsó holtpont) való mozgáskor a forgattyútengely fél fordulattal elfordult.
2. Kompresszió (Második ütem)
Ettől a pillanattól kezdődik a második ütem. A vezérműtengely által vezérelt szívószelep elzárja a szívócső furatát. A forgattyús-tengely további forgása következtében a dugattyú lentről felfelé halad. Az előző ütemben beszívott benzin-levegő keverék nem tud kiáramlani a hengerből, a kipufogószelep szintén zárva van. Miközben a dugattyú mozog felfelé, erősen összenyomja, összesűríti az előtte lévő közeget, az eredeti hengertérfogat kb. 10-ed részére. A sűrítés során 400-500 C fok sűrítési véghőmérséklet jön létre, mely következtében a végnyomás 18 bar értéket ér el. A sűrítés elősegíti a tüzelőanyag alapos keveredését. A benzinmotor annál jobban hasznosítja a tüzelőanyag energiáját, és így annál jobb a hatásfoka, minél nagyobb a sűrítési arány.
3. Munkalöket/Expanzió (Harmadik ütem)
Attól a pillanattól kezdve, hogy a dugattyú ismét a legfelső helyzetbe kerül, kezdődik a harmadik ütem. A harmadik ütemben meggyújthatjuk az összesűrített üzemanyagot. Az égést, az égéstérben összesűrített benzin-levegő keveréket, a gyújtógyertya elektródái között átugró villamos szikra íve indítja meg. Robbanásszerű égés jön létre, mely röviddel a felső holtpont után eléri a 2000-2500 C fokos hőmérsékletet és a 40-60 bar nyomást. A nagynyomású égéstermékek kitágulnak, és lefelé nyomják a dugattyút, ezt nevezzük terjeszkedésnek, vagyis expanziónak. A dugattyú a hajtórúdon keresztül fél fordulattal elfordítja a forgattyútengelyt, amely fél fordulat gyakorlatilag a motor hasznos munkája.
4. Kipufogás (Negyedik ütem)
A negyedik ütemben a dugattyú a a legalsó helyzetből - ahová az előző ütemben került - ismét felfelé halad. A 3 bar nyomáson, hangsebesség felett lévő gáz távozik a hengerből. Ekkor viszont nyitva van a kipufogószelep, és az égésterméket, a gázok maradékát a felfelé haladó dugattyú kb. 0,2 bar toló nyomással kilöki a kipufogócsőbe. A kipufogószelep a felső holtpont után zár, miközben a szívószelep már megemelkedik, nyílik és az egész folyamat kezdődik elölről. A folyamat termodinamikai modellje az Otto-ciklus vagy Otto-körfolyamat.
4 ütemű motor működési animációja
A Fordulatszám Hatása a Motor Működésére és Hatásfokára
A fenti eredeti Otto-körfolyamat csak a korai, lassújárású motoroknál volt jellemző. Hamar rájöttek arra, hogy nagyobb fordulatszámnál (100 fordulat/perc felett) a dugattyú mozgása egyedül nem tudja elég gyorsan megfordítani a gáz áramlását, amikor a szívószelepek kinyitnak. Ezért a korszerű motoroknál a dugattyú felső holtpontja közelében a szívó- és kipufogószelepek egymásba nyitnak kissé. A kipufogószelepeket is kb. húsz fokkal az alsó holtpont elérése előtt már kezdik nyitni, hogy az égéstermékeknek elég idejük legyen távozni.
A korszerű motoroknál a gyújtás sem a felső holtpontban történik, hanem a motor fordulatszámától, és leggyakrabban a szívócsőben uralkodó nyomástól függően előgyújtást alkalmaznak. A szelepek mozgatását általában bütykökkel ellátott vezérműtengely, más néven bütyköstengely végzi. Mivel mind a kipufogószelep, mind a szívószelep egy négyütemű ciklus alatt (vagyis két motorfordulat alatt) egyszer kell, hogy nyisson, a vezértengely fordulatszáma a motor fordulatszámának pontosan fele kell legyen. Ebben a konstrukcióban a motor fordulatszámát a szelep zárási sebessége határolja be. Újabb nagy fordulatszámú konstrukciókban (például versenyautókban, motorkerékpárokban) légrugózású szelepet, illetve kényszerzárású szelepet használnak.
A kialakuló töltetre és így a töltési fokra jelentős hatást gyakorol a fordulatszám. Alacsony fordulatszámon az alacsony áramlási sebességek miatt nem alakul ki megfelelő áramlás. A fordulatszám növekedésével javul ez a hatás így nő a töltési fok. Azonban a fordulatszám növekedésével nőnek az áramlási veszteségek és a motor hőterhelése, így a töltet melegszik és bizonyos fordulatszám felett ismét romlik a töltési fok. 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.
Kétütemű Otto-motorok Működése
A működési elv szerint megkülönböztetünk négyütemű és kétütemű motorokat. Kétütemű motornál két löketre van szükség a teljes munkafolyamathoz. A kétütemű motor szerkezete lényegében azonos a négyütemű motoréval. A különbség köztük ott van, hogy a kétütemű motornak nincs vezérmű-berendezése, nincs olajteknő, olajlehúzó gyűrű és szelepek. A friss keverék beáramlását és a kipufogógázok eltávozását, tehát a vezérlést a hengeren lévő beömlő, átömlő és kiömlő csatornák biztosítják. Ezeket a csatornákat a dugattyú alsó és felső része nyitja, illetve zárja.
C-Max benzin szivattyú relé problémák
Fordulatszám Szabályozása és Optimalizálása Modern Benzinmotorokban
Változó Szelepvezérlési Rendszerek
A Honda motorok híresek megbízhatóságukról és tartósságukról. Ezen tulajdonságok megőrzéséhez elengedhetetlen a különböző alkatrészek és rendszerek megfelelő működése. A VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) egy változó szelepvezérlési rendszer, mely a Honda CBR 400-as motorból ered. A négyütemű motoroknál alkalmazott technológia lényege, hogy a szívó- és kipufogó oldali szelepvezérlés állítódik a vezérműtengely szabályozásával. Megfelelő fordulatszám és olajnyomás esetén egy szelep kinyit, megváltoztatva a szelepek időzítését, ezzel nagyobb erejű égést előidézve.
A VTEC rendszer kiküszöböli a magasabb fordulatszámon fellépő levegőhiányt. Változó szelepvezérlés nélkül a motor teljesítménye egy bizonyos fordulatszám-tartományra van optimalizálva, ettől eltérő tartományokban a motor teljesítménye csökken.
A változó szelepvezérléses technológia elsőként 1980-ban, az Alfa Romeo Spider személygépkocsikban jelent meg Variator néven. A fejlett motoroknál magasabb fordulaton tovább egybe nyitott szívó- és kipufogószelepek miatt gyorsabb a gázok áramlása, ami közvetlenebb s energikusabb motorvezérlést eredményez. Viszont alacsonyabb fordulaton nem működtethető kellő hatékonysággal.
A BMW Valvetronic rendszerében (2001) a vezérműtengely a szelepeket egy köztes himbán keresztül működteti, mely egy excenteren elmozdítható. Így a számítógép döntése alapján a szelepek fokozatmentesen, 0 és 10 mm között hol kisebbet, hol nagyobbat nyitnak. A következménye, hogy a hengerfej fizikai korlátjainak határain belül szinte tökéletesen adagolható a beszívott levegő mennyisége, jól szellőztethető a kipufogógáz, takarékosabb a motor, nő a teljesítmény miközben csökken a károsanyag kibocsájtás.
Alapjárat Szabályozás
Az alapjárati motor felelős a motor alapjáratának szabályozásáért. Alapjáraton a motor fordulatszámának egy meghatározott értéken kell lennie. Az alapjárati motor tudja növelni vagy le tudja csökkenteni a fordulatszámot. Ha a motor hideg, akkor az alapjárati fordulatszám automatikusan megnő annak érdekében, hogy a katalizátort, amilyen hamar csak lehet, felmelegítse.
Az alapjárat ingadozását sokan durva alapjáratnak is nevezik. A fordulatszám ingadozás gyorsítás nélkül is észrevehető. Az egyenetlen alapjárat a motor meghibásodására utalhat.
Motorindítás és Fordulatszám
A motor alapjárati fordulatszám, amelyen a motor közvetlenül az indítás után forog, a motor hőmérsékletétől függően változó. Indításkor az üzemanyag-befecskendező-szelepek mindaddig le vannak kapcsolva, amíg a gázpedált benyomva tartja.
Amikor a kulcsot elfordítod a gyújtáskapcsolóban, az önindító megforgatja a lendítőkereket, ami megforgatja a főtengelyt, ami megforgatja az olajszivattyút. A motor beindul, de az olajnyomásnak idő kell, hogy felépüljön (pár tizedmásodperctől pár másodpercig), aztán szintén idő kell az olajnak, hogy elérje az üzemi hőfokot (átlagos motornál 80-120 C°).
A belső égésű motor kopásának 70%-áért az indítás utáni 1-2 másodperc a felelős. A legnagyobb terhelést minden motor 0-ról induláskor kapja. Hosszú úton viszont folyamatos a melegüzem, folyamatos a magas olajnyomás és a motor a számára ideális tartományban dolgozhat.
Teljesítmény és Nyomaték Fordulatszám Függvényében
A belsőégésű motorok teljes terheléses jelleggörbéi az adott fordulatszámokhoz tartozó maximális paraméterinek változását mutatják a fordulatszám függvényében. Az ideális az lenne, ha a két görbe találkozásánál tartanánk a fordulatszámot, amikor csak lehet.
A lenti diagramon jól látható, hogy egy átlagos benzinmotor 3000-4000 fordulat per perc (rpm) tartományban adja le a legnagyobb nyomatékát (torque NM) és még ennél is magasabban a teljesítményét (power kW).
Spórolni kell az üzemanyaggal, ezért a legtöbb városban ingázó sebességet vált már alacsony fordulatnál. A gond az, hogy egyrészt ezzel nem spórol, másrészt a motor egyáltalán nem érzi jól magát ebben a tartományban, vagyis erőlködik.
Károsanyag-kibocsátás Szabályozása
A Honda motorok tervezése, felépítése és felszereltsége olyan, hogy megfeleljen az USA EPA ügynökség és a Kaliforniai Levegő Erőforrás Bizottság szikragyújtású motorokra vonatkozó károsanyag-kibocsátási szabványának. A Honda megfelelő levegő/üzemanyag arányokat és más kibocsátást szabályozó rendszereket használ, hogy csökkentse a szénmonoxid, nitrogén-oxid és szénhidrogén kibocsátást. Ezen felül a Honda üzemanyagrendszerei a kipárolgási kibocsátásokat csökkentő komponenseket és szabályozó technológiákat is felhasznál.
Generátor és Feszültségszabályzó Szerepe
A motor világítását és az akkumulátor folyamatos töltöttségét a generátor és a feszültségszabályzó biztosítja. Körülbelül 3500-as fordulatszám környékén éri el a töltő és a világítókör a legmagasabb feszültséget, gyártmánytól függően 13.5-14.5V, amit egy jól működő fesszabályzó kimenetén mérhetünk. A motor fordulatszáma tehát közvetlenül befolyásolja a generátor teljesítményét.
tags: #benzin #motor #fordulatszám #működési #elv