A belső égésű motorok gyújtási sorrendje és a teljesítmény optimalizálása
Most következő sorozatunkban azoknak szeretnénk kedveskedni, akik még csak most ismerkednek az autó felépítésével, működésével. Lássuk hát az autó legfontosabb elemeit alapfokon. Előző írásunkban a motor alapvető felépítéséről volt szó. Most pedig megnézzük tüzetesebben, hogy hogyan is működik. Lássuk, hogyan alakítja át az autó az üzemanyagot mozgási energiává.
A négyütemű benzinmotor működési elve
A belsőégésű motorban végbemenő munkafolyamatról lesz szó, melynek során a jármű az üzemanyagot mozgási energiává alakítja. Ez leggyakrabban kettő vagy négy munkafázis (ütem) alatt történik. A négyütemű motorok munkafázisairól már bizonyára mindenki hallott. Ez az a bizonyos: beszívás, kompresszió (sűrítés), gyújtás és kipufogás. Ez az egész autó lelke. Ezúttal a négyütemű benzinmotorokról lesz szó.
1. ütem - Beszívás
Az első ütemben a dugattyú lefelé mozog a hengerben. Ezalatt a vezérműtengely elfordul, a bütyke pedig kinyitja a szívószelepet, ezzel utat engedve az üzemanyag-levegő keverékének a hengerbe. A keverék előállításáért a karburátor (más néven porlasztó) felel, ami a folyékony üzemanyagot permetté alakítja, hogy minél jobban elkeveredhessen az oxigénnel. Ezt az egyveleget szívja be a rendszer a hengertérbe.
Amikor a dugattyú eléri az alsó holtpontot, a vezérműtengely elfordulása bezárja a szívószelepet. Ekkor a dugattyú fölötti hengertér már teljesen feltöltődött a benzin-levegő keverékkel. Ettől a pillanattól kezdődik a második ütem.
2. ütem - Kompresszió (sűrítés)
Mivel a szelepek zárva vannak, az előző ütemben beszívott benzin-levegő keverék nem tud kiáramlani a hengerből. A főtengely forgása felfelé tolja a dugattyút a hengerben, ennek következtében a dugattyú a fölötte lévő keveréket összepréseli (sűríti). Amint a dugattyú ismét eléri a felső holtpontot, kezdődik a harmadik ütem (bár a gyártók mostanában már egyre gyakrabban alkalmazzák, hogy a felső holtpont elérése előtt 1-2 pillanattal már elindítják a harmadik ütemet).
Garden Master fűkasza gyújtógyertyák
3. ütem - Gyújtás (munkavégzési ütem)
Egy-két pillanattal azelőtt, hogy a dugattyú a felső holtpontot elérné (ahol a megfelelő - előre meghatározott - sűrűségű benzin-levegő keverék keletkezik), a gyújtógyertya szikrája begyújtja az összepréselt keveréket, ami rendkívül gyorsan elég (ezt az égést sokan - tévesen - robbanásnak nevezik). Az égés során a gázok (benzin-levegő keverék) hirtelen kitágulnak és a keletkező óriási nyomása a dugattyút fentről lefelé löki a hengerben. Ezt nevezzük terjeszkedésnek (expanziónak).
A négy ütem közül ebben az egyben végez a motor hasznos munkát (a további fordulatok csak a működés járulékos veszteségeként foghatók fel). A gyújtógyertya szikrája meggyújtotta a benzin-levegő keveréket a hirtelen kitáguló gázok lefelé lökik a dugattyút a hengerben. Ez a mozgás a hajtókar segítségével elforgatja a főtengelyt. Így alakítja át a motor az üzemanyagot forgómozgássá, ami a főtengelyről a sebességváltón keresztül jut el az autó meghajtott kerekeihez.
4. ütem - Kipufogás
Miután a dugattyú eléri az alsó holtpontot, ismét felfelé indul a hengerben. Ekkor nyit a kipufogószelep, és a dugattyú kitolja maga előtt a kipufogócsőbe a keverék elégetése során keletkezett égésterméket. Mikor a dugattyú ismét eléri a felső holtpontot, bezáródik a kipufogószelep, kinyílik a szívószelep, és az egész folyamat kezdődik elölről.
Sűrítési arány
A sűrítési arány azt mutatja meg, hogy a dugattyú lefelé mozgása során a hengerbe beszívott üzemanyag-levegő keveréket a sűrítés során eredeti térfogatának hányad részére nyomja össze a felfelé haladó dugattyú, mielőtt a gyújtógyertya szikrája berobbantaná azt. Ha például a keveréket a dugattyú eredeti méretének nyolcadrészére sűríti, akkor 8:1-es sűrítési arányról beszélünk.
Gyújtási sorrend és a motor egyenletes járása
Azt a sorrendet, ahogy a gyújtógyertyák a motor egyes hengereiben meggyújtják az üzemanyag-levegő keverékét gyújtási sorrendnek nevezzük. A megfelelő sorrendért a gyújtáselosztó felel, ami a megfelelő pillanatban juttatja el az elektromos jelet a gyújtógyertyákhoz a motor működése során. Egy soros elrendezésű motornál a hengereket általában elölről hátrafelé haladva számozzák. Így a legmagasabb számú henger az lesz, amelyik oldalon a váltó a motorhoz csatlakozik.
Vezeték Nélküli Fejegység Részletek
Ha a gyertyák sorban egymás után (1-2-3-4) adnák a szikrát, akkor a dugattyúk egymás utáni löketeinek köszönhetően a motor nagyon egyenetlenül járna és igen komoly mértékű vibráció lépne fel. Ezért egy négyhengeres motorban a vibrációt a gyújtási sorrend megváltoztatásával igyekeznek minimálisra csökkenteni. A motor nyugodt menetének és egy egyenletes erőleadásának eléréséhez, a gyújtásokat ill. az egyes hengerek munkaütemeit egyenlően el kell osztani az egy munkaciklus két forgattyús-tengely-fordulatára.
A többhengeres motoroknál fontos továbbá a gyújtási sorrend. A belső égésű motorok történelmében rengeteg próbálkozásra van példa, mindig új és új autómotor-szerkezetek kifejlesztésére.
Gyakori gyújtási sorrendek és munkaütemek
Egy munkaciklus két bütyköstengely-átfordulást foglal magába. Ezalatt lezajlik egy munkaciklus négy üteme. Egy munkaütem mindig a felső holtponttól az alsó holtpontig vagy fordítva tart. A holtpont azt a helyet jelenti, ahol a mindenkori dugattyú mozgási iránya megfordul.
| Hengerek száma | Gyújtási sorrend példák | Munkaütem gyakorisága (főtengelyfokonként) |
|---|---|---|
| Négyhengeres | 1-3-4-2, 1-2-4-3 | 180 fok |
| Boxer (VW) | 1-4-3-2 | 180 fok |
| V6 | 1-2-4-6-5-3, 1-5-4-6-2-3 | 120 fok |
| V8 (klasszikus) | 1-5-4-8-6-3-7-2 | 90 fok |
| V8 (modern) | 1-8-2-7-4-5-3-6 | 90 fok |
A V-motorok gyújtási sorrendjének kihívásai és az "Inside V" megoldás
A V-motoroknál a friss levegőt a két hengersor között szívják, a kipufogógázok pedig a motor két oldalán, hengersoronként külön távoznak. Feltöltött motoroknál, ahol a gyorsabb gázreakció érdekében gyakran hengersoronként külön-külön turbó nyomja a levegőt, bonyolódik a helyzet.
A V8-as motorok klasszikus, leginkább elterjedt gyújtási sorrendje az egyenletes járás érdekében 1-5-4-8-6-3-7-2, ami (alapesetben) kilencven főtengely-fokonként jelent egy-egy munkaütemet, illetve - és számunkra most ez az érdekes - egy-egy kipufogást. Az azonos hengersorhoz tartozó, a gyújtási sorrendben egymás után következő hengerek kipufogása így térben és időben is kellemetlenül közel kerül egymáshoz.
Renault Master vezérlés beállítása: részletes útmutató
Amikor a 6-os henger megkezdi a kipufogást, a gyújtási sorrendben közvetlenül előtte levő 8-as henger szelepe még nyitva van. A leömlőn végigsöprő nyomáshullám így ebben (és csak ebben) a hengerben akadályozza a gázcserét. Hasonló a helyzet a másik oldalon az 1-es és a 2-es henger viszonyában: mindkét hengersoron találunk a négy között egy-egy mostohagyereket, akinek minden alkalommal keresztbe tesz egy másik, így a hengerek közötti „munkamegosztás” soha nem lehet egyenletes. Kis túlzással hat ló húzza a szekeret, két másik pedig - mivel nem jut neki elég levegő - a túlélésért küzd. Az egymásba érő kipufogóütemek miatti teljesítményveszteség régóta foglalkoztatja a konstruktőröket. A probléma négyhengeres motoroknál ugyanúgy fennáll, mint nagyobb társaiknál. 1-3-4-2 gyújtási sorrend mellett a 4-es henger belepofázik a 3-as, az 1-es pedig a 2-es működésébe.
Nem véletlen, hogy a versenygépeken gyakran külön-külön csődarabok merednek a külvilág felé, vagy például 4/2/1 rendszerű kipufogóval próbálják minimalizálni az egyes hengerek közötti kölcsönhatást.
A "hot V" elrendezés és a mérnöki innováció
Amikor a költségmérnök két hétre szabadságra megy (és viszi magával a kontrollingos kiscsajt is), akkor jön el a rendes mérnök ideje. Egy ilyen alkalommal szakíthattak például azzal a gyakorlatilag egyeduralkodó tradícióval, hogy a V motorok a friss levegőt a két hengersor között szívják, a kipufogógázok pedig a motor két oldalán, hengersoronként külön távoznak. Mivel a költségmérnök épp szabadságon volt, a rendes mérnökök olyat tettek, amire csak nagyon ritkán van lehetőségük az autógyárban: alapjaiban áttervezték az egészet úgy, hogy jó legyen.
Így került a kipufogórendszer a két hengersor közé és így nemesedett a leömlő egyszerű, rozsdás öntvényből megdöbbentően összetett és drága alkatrésszé. A cél egyértelmű és világos volt: a gyújtási sorrendben egymástól lehető legtávolabb levő hengerek kipufogógázait kell összefogni, mert ezek zavarják a legkevésbé egymást. Közös csőbe került hát az 1/6, az 5/3, a 4/7 és a 8/2 hengerpárok kivezetése, hiszen ezek munkaütemei között egy teljes főtengelyfordulat eltelik.
Twin-scroll turbók és a hatékonyság növelése
A négy közös cső közül a gyújtási sorrend szerint legtávolabbiakat pedig újfent párosítva vezetik egy-egy twin scroll turbóhoz. 1/6 és 4/7 hajtja az egyiket, 5/3 és 8/2 a másikat. A twin scroll turbók tervezői azzal vágták át a kipufogók gordiuszi csomóját, hogy az egymással haragban levő hengerek gázait elkülönítve vezették a turbinakerékhez.
Ez egyrészt meglepően jó dinamikát és alig érezhető turbólyukat eredményez, másrészt lehetőséget ad a motor tervezőinek a kipufogószelep későbbi zárásával a töltetcsere további javítására, ami néhány százalékos fogyasztáscsökkenésben jelentkezik. Nem egy olcsó móka, de még mindig kevesebbe kerül, mint két (vényócnál négy) külön turbó, így nem csoda, hogy a BMW mellett egyre több gyártó (Pl.: Opel, Hyundai) sportosabb motorjaiban is terjed az alkalmazása. A cél szentesíti az eszközt.
Fejlett gyártástechnológia a maximális teljesítményért
Az eszköz pedig ezúttal egy 42 darabból hegesztett, brutális kipufogócsonk. A hőszigetelés miatt kettősfalú leömlő külső héja 2 mm vastag hőálló acélból készül, míg a kipufogógázokkal közvetlenül érintkező csöveket nikkelötvözetből gyártják. Az elképesztő, ezer fok fölötti hőmérsékletet is elérő kipufogógázok hatására jelentkező termikus feszültségeket az egymásba csúsztatott csövek elmozdulása egyenlíti ki.
A nikkelcsöveket a bonyolult forma miatt IHU-eljárással alakítják - kerül, amibe kerül. Ennek során a formába helyezett csövet nagynyomású vízzel gyakorlatilag „felfújják”, így az felveszi a körülötte levő forma alakját. A hengerfejhez csatlakozó flancsnit kovácsolják, bizonyos csőszakaszokat vákuumos finomöntéssel készítenek. A 42 különálló darabot védőgázas hegesztéssel rögzítik - már ahol hozzáférnek. Ahol nem, ott lézerrel.
De a legkifinomultabb konstrukció és a legprecízebb gyártástechnológia mellett is ott sorakoznak a kérdések. Valóban minden alkatrész kibírja-e hosszú távon a V motor közepén az eszement hőterhelést? Valóban végeznek-e a chiptunerek hosszú távú flottateszteket, mielőtt belepiszkálnak a gyári beállításokba?