A belsőégésű motorok története és a keverék üzemanyagú motorok 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, üzembe helyezte a Newcomen-féle működésképtelen gőzgépet feltalálva a kondenzátort, amelyben a hengertől elzárva zajlott a gőz lecsapatása, és ezzel elindította a hőerőgépek máig tartó fejlődését. A gőzgépe indította el az emberiséget a túlnyomórészt földműveléssel foglalkozó társadalmaktól a technológia- és innováció-központúak felé. Több értelemben is elmondható róla, hogy egyúttal a modern gyártási folyamatok megalkotója.

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.

A belsőégésű motorok korai fejlesztése

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. A felső holtponttól az alsó holtpontig tartó dugattyúlöket egy részén levegő és gáz keveréke került a hengerbe, majd a keveréket elektromos szikrával meggyújtották. Lenoir nem járt azonnal sikerrel. Miután sikerült minden alkatrészt elkészíteni és összerakni a motort, leállt, mert a melegedés miatt a dugattyú kitágult és beszorult a hengerbe. Lenoir a tervét egy vízhűtő- és kenőrendszerrel egészítette ki. Csak ezután kezdett járni a motor.

Már az első tökéletlen tervek is bemutatták a belső égésű motor jelentős előnyeit a gőzgéppel szemben. A motorok iránti kereslet gyorsan nőtt, és néhány éven belül Lenoir több mint 300 motort épített. Ő volt az első, aki belső égésű motort használt különféle célokra és nagy sikert aratott. 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. Annak ellenére, hogy a licencét sok ország, és gépgyár megvásárolta, nem tudta leváltani a hatalmas gőzgépeket, mivel ezek a motorok ugyanis 1-2 lóerősek voltak, a maximálisan elérhető teljesítmény 12 lóerő volt. A gyárakban használatos gőzgépek viszont több tízezer lóerő leadására voltak képesek. Később kísérletképp beépítették a motort egy hintóba is, de ez a konstrukció ekkor még nem igazán volt érett a mozgásra.

Keverési arány Keeway Matrix 50

Nikolaus August Otto és a négyütemű elv

1861-ben Nikolaus August Otto (1832-1891) kölni kereskedő kísérletezett összenyomott keverék meggyújtásával, amely négyütemű séma szerint működött: szívás, kompresszió, munkalöket, kipufogógázok elvezetése. Otto felfedezte, hogy az eddig használt keverék rossz összetételű (az üzemanyag és az levegő aránya), valamint az üzemanyag-adagoló rendszer és az égés szinkronizálásának algoritmusa is rossz. Használható gépet ekkor még nem sikerült szerkesztenie.

Bár a négyütemű motor elvét Alphonse Beau de Rochas francia mérnök már 1862-ben feltalálta, amit szabadalmaztatott is, a megvalósítás Otto érdeme, aki amúgy Rochas-tól függetlenül, magától jött rá a működés elvére. Emiatt később szabadalmi vitákba is keveredett Rochas-szal, mivel nem tudott a francia szabadalmáról és ez csalódással töltötte el. Ettől függetlenül 1867-ben N.A. Otto és Eugen Langen (porosz mérnök és iparos) a párizsi világkiállításon javított kivitelű belsőégésű motort (aminek dugattyúja rackbe van kapcsolva) mutatott be, ahol Nagy Aranyéremmel tüntették ki a munkájukat. Az Otto-Langen-féle atmoszférikus gázgépben egy felül nyitott hengerben mozgott a szabad dugattyú.

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. Az első 20 évben az Otto gyár 6000 motort épített.

További jelentős feltalálók

• Nikolaus August Otto német feltaláló először konstruált működőképes négyütemű belsőégésű motort, amelyet róla neveztek el Otto-motornak, majd üzemanyaga után benzinmotornak. 1877-ben került szabadalom alá a Császári Szabadalmi Hivatal által a Deutz gyár neve alatt.
• Rudolf Diesel 1892-ben szabadalmaztatta belsőégésű motorját, melyet eredetileg „olajmotornak” neveztek és működő prototípusát az augsburgi MAN cég készítette el.
• 1878-ban Karl Benz felszerelt egy triciklire egy 3 LE teljesítményű motort, aminek 11 km/h feletti sebessége volt. Ő alkotta meg az első egy- és kéthengeres motorral szerelt autókat is. A hengerek vízszintesen helyezkedtek el, a nyomatékot szíjhajtással továbbították a kerekekre. 1886-ban K. Benz 37435. számú német szabadalmat kapott egy autóra. Az 1889-es párizsi világkiállításon Benz autója volt az egyetlen autómobil.
• 1883-ban Daimler és Maybach elkészítette a nagy fordulatszámú, izzócsöves gyújtású négyütemű benzinmotort. Azóta fejlesztik, csiszolgatják a konstrukciót, aminek működési alapelve az idők folyamán semmit sem változott.

Négyütemű Otto-motorok működése

A négyütemű benzinmotor lényegében négy egységből: motorház, forgattyús mechanizmus, szelepvezérlés, keverékképző rendszer és még járulékos segédberendezésekből áll.

1. Az első ütem: Szívás

   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. Mint tudjuk a gázok a kisebb nyomás felé szeretnek áramlani, ezért a levegő bejut a szívórendszerbe, miközben a porlasztó, vagy a befecskendező benzinpermetet készít, a kész elegy a szívócsövön keresztül áramlik a henger belsejébe. 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.

   Üzemanyag-keverék aránya

   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. A második ütem: Sűrítés

   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. Azért fontos, hogy jól összekeveredjen a benzin a levegővel, mert így elősegíthetjük a tökéletesebb égést. A benzinmotor annál jobban hasznosítja a tüzelőanyag energiáját, és így annál jobb a hatásfoka, minél nagyobb a sűrítési arány. Állandó hőmérsékleten a hengerben a nyomás és a térfogat egymással fordított arányban változik. Ha a térfogat pl. a nyolcadrészére csökken, akkor a nyomás a nyolcszorosára nő.

3. A harmadik ütem: Munka (Terjeszkedés)

   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. Az ív létrejöttétől a lángfront teljes szétterjedéséig kb. 1/1000 másodperc telik el, de még ez előtt, a dugattyú felső holtpontja előtt gyújtják meg az ívet. 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. Mint tudjuk az energia nem vész el, csak átalakul. Az előbb még hő formájában tárolt energia lenyomja a dugattyút és máris mechanikai energia lesz belőle. A dugattyú a hajtórúdon keresztül fél fordulattal elfordítja a forgattyútengelyt, amely fél fordulat gyakorlatilag a motor hasznos munkája. A robbanás nyomán keletkező égésterméket el kell távolítani a hengerből. Ez már a negyedik ütem alatt zajlik le.

4. A negyedik ütem: Kipufogás

   A negyedik ütemben a dugattyú 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.

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 kipufogószelepen kiáramló gázok magukkal ragadják a szívószelepen keresztül a beáramló üzemanyag-levegő keveréket és így javítják a szívást. Természetesen a távozó füstgázokkal együtt egy kevés friss keverék is távozik, ami rontja a motor hatásfokát. Versenymotoroknál ezzel a kis kiáramló hideg keverékkel a szelepeket hűtik. 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.

Minden a Yamaha Jog keverési arányáról

A szelepek mozgatását általában bütykökkel ellátott vezérműtengely, más néven bütyköstengely végzi. A szelep zárását és zárva tartását erős acélrugóval oldják meg (konstrukciótól függően csavarrugó vagy hajtűrugó). 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. A zárási sebességét pedig a szelep és a hozzá tartozó mechanizmus (szelephimba, rúd stb.) tömege, illetve a rugó keménysége határozza meg. Minél kisebb a tömeg és minél keményebb a rugó, annál gyorsabban zár a szelep, azonban a túl erős rugó a kopást növeli. Újabb nagy fordulatszámú konstrukciókban (például versenyautókban, motorkerékpárokban) légrugózású szelepet, illetve kényszerzárású szelepet használnak. Ez utóbbinál a szelep zárásának folyamata pontosan megtervezhető.

Kétütemű Otto-motorok működése és a keverék üzemanyag

A belső égésű motorok gyártása folyamatosan nőtt, és a tervezésük is javult. 1878-1880-ban megkezdődött Wittig és Hess német feltalálók, illetve D. Clerk angol vállalkozó és mérnök által javasolt kétütemű motorok gyártása, 1890-től pedig a forgattyúkamrás résvezérléssel működő kétütemű motorok (6410. számú angol szabadalom) gyártása. A forgattyús kamra öblítőszivattyúként való alkalmazását valamivel korábban javasolta G. Daimler német feltaláló és vállalkozó. 1889-ben a forgattyúház elősűrítésű kétütemű dugattyú-vezérlésű benzinmotort Joseph Day, angol mérnök találta fel, amit széles körben ismernek és alkalmaznak napjainkban is kisebb hengerűrtartalmú motorok, például modellmotorok, mopedek, motorkerékpárok, fűnyírók, kerti-kisgépek erőforrásaként.

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. A hengerben lévő nyílások miatt a kétütemű motorok dugattyúgyűrűit rögzítik. A dugattyúgyűrűk végei ugyanis a résekbe beakadva eltörhetnek, s a törött gyűrűdarab súlyos károkat okozhat. Abban is különböznek, hogy a kétütemű motor forgattyúsháza zárt (a négyüteműében van egy szellőzőnyílás). A többhengeres kétütemű motorok forgattyúsháza el van különítve, azaz annyi forgattyúsház kell a motorhoz ahány henger van, a négyüteműé viszont egyben lehet.

1. Az első ütem

   Az első ütemben a forgattyúházban a dugattyú az alsó holtpontból a felső felé halad, miközben a dugattyú alatt a forgattyúházban térfogat növekedés, ezzel együtt szívóhatás keletkezik. Amint a dugattyú alsó éle után felszabadul a szívónyílás, beömlik a friss benzinlevegő-keverék. Eközben a dugattyú felett, a hengerben az előző ütemben felkerült keverék sűrítése történik, a forgattyús tengely egy fél fordulatot tesz meg. Tehát a dugattyú felett sűrítés, a dugattyú alatt szívás van. A sűrítés során a keverék 300 Celsius fokos hőmérsékletet ér el.

2. A második ütem

   A második ütemben a gyújtógyertya által meggyújtott keverék hőmérséklete 2400 Celsius fokra szökik fel, nyomása kb. 8 bar lesz. A megnövekedett nyomás lefelé mozdítja el a dugattyút, és így a forgattyúházba már beszívott keveréket elősűríti. Az alsó holtpont közelében megnyílik a kiömlő-, majd az ún. átömlő-csatorna. A dugattyú feletti térből az elégett gázok kiáramlása megkezdődik, és helyükre áramlik a forgattyúházból az elősűrített keverék. A második ütem alatt is egy fél fordulatot tesz meg a forgattyús tengely.

   A forgattyúházban az elősűrítéssel létesített nyomás kb. 1,5 bar, ez teszi lehetővé, hogy a keverék az átömlő-csatorna nyílásán a dugattyú fölé kerüljön. A keverék elégése gyorsan 0,003 - 0,004 másodperc alatt megy végbe, az égés nagy sebességgel terjed. Töltet-cserefolyamatok zajlanak a dugattyú alatt és felett. A töltetcsere a következő munkaciklusba való átmenet idején zajlik. A dugattyú felső éle először a valamivel magasabban fekvő kipufogórést teszi szabaddá, és az égéstermék-gáz eltávozik. Ezután az átömlő rés válik szabaddá, a forgattyúházból a hengerbe átömlő kezdőtöltet átöblíti a hengert és maga előtt kinyomja az égéstermék-gázt. A kipufogócsőben kezdetben uralkodó torló nyomás következtében az átömlőnyílás nyitásakor az é...

Kétütemű és négyütemű motorok összehasonlítása

A STIHL 4-Mix® motor: Egy négyütemű motor keverék üzemanyaggal

A STIHL 4-Mix® 4 ütemű motor olyan motor, amely még a legkeményebb munkanapokat is kellemessé teszi. Úgy alakították ki, hogy a lehető legjobban támogassa a felhasználót a kezelés és a funkcionalitás minden aspektusában. A STIHL 4-Mix® motor keverék üzemanyaggal üzemel (1:50 arányú keverék, például STIHL MotoMix), nincs külön kenési rendszere. A STIHL 4-Mix® motor a nagy nyomatékot alacsony üzemanyag-fogyasztás mellett éri el, és különösen alacsony károsanyag-kibocsátással üzemel. A STIHL 4-Mix® 4 ütemű motorjának kompakt kialakítása kedvező teljesítmény-súly arányt és alacsony rezgésű működést biztosít.

Ahogy a neve is sugallja, a STIHL 4-Mix® 4 ütemű motor négy ütemben dolgozik: szívás, sűrítés, munka, kipufogás. A STIHL 4-Mix® 4 ütemű motor könnyebb indításának érdekében automatikus dekompresszor rendszerrel van ellátva. Ez a következőképpen működik: a 4-Mix® 4 ütemű motor indításakor a kompressziós nyomás egy része a kinyíló szelepeken keresztül távozik, ami hatékonyan csökkenti a motor indításához szükséges erőt és a 4-Mix® motor teljes kompresszióval, hatékonyan működik. A STIHL 4-Mix® 4 ütemű motor pehelysúlyú. A vegyes kenésű üzemanyag-ellátásnak köszönhetően a hagyományos négyütemű motoroknál szükséges alkatrészek, mint például az olajszivattyú, az olajszűrő és az olajteknő fölöslegessé válnak.

tags: #keverek #benzin #logo #története

• Mazda CX-3 Red Dot elismerés
• Biztosítékok és hibaelhárítás Fiat Scudo modellekben
• A Swift kormánymű alkatrészei
• Okok, amiért a Toyota Auris fordulatszáma beesik indításnál
• Vízpumpa csere Meriva B