A Szelepek Működése a Belsőégésű Motorokban: Mikor Zár a Szívó- és Kipufogószelep Egyaránt?
A belsőégésű motorok töltetcseréje, azaz a friss keverék beáramlása és az égéstermék eltávozása, rendkívül precíz vezérlést igényel. Ennek a folyamatnak a kulcsfontosságú elemei a szelepek, amelyek a motor megfelelő működését garantálják. A motorok fejlesztése során jelentős mérnöki munkát fektettek abba, hogy a szelepek mindig a megfelelő pillanatban nyíljanak és zárjanak, különös tekintettel azokra az időszakokra, amikor mind a szívó-, mind a kipufogószelep zárva van.
A Szelepek Alapvető Szerepe és Működési Elve
A hengerfejben, az égéstérben vannak a szelepek. A szelep a hengerfej szívó és kipufogó nyílásainak, egyben a hengertér zárásának a feladatát látja el. A szelepeknek van tányérja és szára. A tányérjukkal zárják a likakat, amiken a levegő bejut a hengerbe és amiken az égéstermék (kipufogógáz) kijut a hengerekből. A motor szelep egy hosszú szárra szerelt fém gombára emlékeztető elem. Ez egy precízen megmunkált mechanikus alkatrész, amely a vezetőben mozogva nyitja és zárja a motor hengerfejének csatornáit. A szelepek a motor légzőrendszerének szíve. Feladatuk az égéstér szoros nyitása és zárása a motor működési ciklusának megfelelő pillanataiban. A működés egyszerű, de rendkívül precíznek kell lennie.
A Szelepek Vezérlése és a Négyütemű Ciklus
Hogy mikor van nyitva, ill. zárva egy szelep, azt a vezérműtengely (más néven bütykös tengely) dönti el. A szelepek mozgatását általában bütykökkel ellátott vezértengely vezérli, a szelep zárását és zárva tartását erős acélrugó végzi. A vezérműtengely forgásával nyomást gyakorol a szeleptőkére, ami a szelep kinyitását és egy erős rugó erejének legyőzését eredményezi. Amikor a nyomás megszűnik, a szeleprúgó azonnal bezárja a szelepet, lezárva a hengert. A vezérműtengelyen kialakított bütykök teszik lehetővé a dugattyú (forgattyústengely) helyzetéhez viszonyított pontos szelepműködtetést. A vezérműtengely bütykeinek alakja, mérete határozza meg a szelepek nyitási pillanatát, sebességét, nagyságát és zárás szögét, ezáltal a motor megfelelő működését.
Mikor Zárva Mindkét Szelep?
A négyütemű motorok egy teljes munkafolyamata a dugattyú négy lökete alatt játszódik le, ezalatt a motor forgattyústengelye két teljes fordulatot végez. Két kritikus ütem van, amikor mind a szívó-, mind a kipufogószelep zárva tart.
- Sűrítési Ütem: A lefelé haladó dugattyú maga után szívja a benzin-levegő keveréket. Amikor a dugattyú az alsó helyzetbe ér, a henger feltöltődik. Ezt követően a dugattyú felfelé halad. A vezérműtengely által vezérelt szívószelep elzárja a szívócső furatát, és a kipufogószelep is zárva van. Ebben az ütemben a dugattyú a fölötte lévő keveréket erősen összenyomja (összesűríti).
- Munkavégző/Égési Ütem: Amikor a dugattyú a legfelső helyzetet eléri (felső holtpont), a gyújtógyertya elektródái között villamos szikra ugrik át, és a keverék elég. A terjeszkedő gázok óriási nyomása a dugattyút fentről lefelé löki. Ebben az ütemben, a maximális energiakinyerés érdekében, mindkét szelepnek szorosan zárva kell lennie.
A szelepek nyitása és zárása nem az ütemek kezdetén és végén, hanem a holtpontok előtt, ill. után történik. Az eltérések okai a gázdinamikai hatások. Miután a dugattyú a legalsó helyzetből ismét felfelé halad, a keletkező égésterméket el kell távolítani a hengerből, ekkor nyílik a kipufogószelep.
Szelepátfedés: Kivétel a Szabály alól
A korszerű motoroknál a dugattyú felső holtpontja közelében a szívó- és kipufogószelepek egymásba nyitnak kissé, ezt nevezzük szelepösszenyitásnak vagy átfedésnek. Ezáltal 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. Széles fordulatszámmezőben üzemelő motorokban az összenyitás nem lehet nagy, mert kis fordulatszámon a kipufogó gázok a szívócsőbe nyomulnak, és a szívás során a friss töltettel keveredve azt hígítják.
Szelephézag és Beállítása
Hogy mindez tényleg a tervezett módon történjen, a bütyköknek pontosan a szelepszárakat kell nyomogatniuk, és ebbe a mechanizmusba bele kell kalkulálni az alkatrészek hőtágulásait! Ebből a legérdekesebb a szelep szára, ami 8-12 cm. Régebben a motorok fejlesztése során meghatározták a szelepek üzemi hőmérséklethez tartozó hosszát, majd megadtak egy ún. szelephézag értéket, amit hideg motor esetén a szelepszár és a vezérlés között kell lennie. Például, szívó szelep hézag 0.22mm, kipufogó szelep hézag 0.59mm. Ez esetben az is érzékelhető, hogy a kipufogó szelepen keresztül, egy szakaszon a szelep szára mellett kiáramló forró gáz jobban felmelegíti a szelep szárát, nagyobb a méretváltozása. Jó tervezés és beállítás esetén, üzemmeleg motornál 0.05mm alá mennek a hézagok. Ez a hagyományos beállítás elég macerás, hideg motor esetén zajosabb, meleg motor esetén viszont megfelelő. De az alkatrészek kopása miatt a kb. 10 ezer kilométerenkénti szervizek alkalmával ellenőrizni kellett és utánállítani. Van lapkás is, és ott valóban a lapkákat kell cserélni, de a hidrotőkés motornál az olaj állítja a szelephézagot.
Hidrotőkék: A Szelephézag Automatikus Kompenzációja
A szelepszár és a vezérműtengely közé betettek egy változtatható hosszúságú, üreges "rudat", ez a hidrotőke. Amikor az adott szelep zárva van, nem nyomja a vezérműtengely, a hidrotőke alaphelyzetben van, egy ún. átömlő furaton keresztül a motor feltölti motorolajjal (olajnyomás 4-6 bar), a megfelelő irányba kitágul, ezáltal szinte nullára csökkenti a hézagokat. Amikor a vezérműtengely bütyök elkezdi nyomni, két dolog áll fenn: a folyadékok tulajdonképpen összenyomhatatlanok, valamint a hidrotőke elmozdulásával lezárul az átömlő furat. A szelepek a bütykök profilját fogják követni. Ez hideg és meleg, új és kopottabb motornál is jól működik, egyedül indításkor, az első 2-3 főtengely fordulatnál (amíg nincs olajnyomás) zajos.
Szelepállítás A 9 szabálya
A Szelepek Anyaga és Konstrukciója
A szelepek anyaga az eltérő igénybevételhez igazodik. A szelep alternáló mozgást végez, a szára csúszó-kopó igénybevételnek van kitéve. A szeleptányér dinamikusan igénybevett és a kipufogószelep esetében nagy hőterhelésnek is ki van téve. A jó minőségű, nagy igénybevételű szelepek bimetál anyagból készülnek, ahol a szeleptányér és a szelepszár anyaga különböző. A végső megmunkálás előtt a két anyagot dörzshegesztéssel olvasztják össze. A szelepszár élettartamát jelentősen javítja, ha galvanikusan keménykrómozzák. Mivel a két szeleptípus hőterhelése nem azonos, nem feltétlenül készülnek pontosan ugyanabból az anyagból. Ha a kipufogószelep számára nagy melegszilárdságú anyag szükséges, akkor azt jellemzően ausztenites acélból készítik. Ennek azonban lényegesen rosszabb a hővezetése a martenzites acélokkal összehasonlítva. Annak érdekében, hogy az előny ne váljon hátránnyá, az üreges kialakítású szelepet ún. nátriumhűtéssel látják el, amivel akár 100 °C-kal is csökkenhet a szeleptányér hőmérséklete üzem közben. Szívószelep esetén elkerülhető, de a kipufogószelepet csak nagy hőállóságú és a revésedésnek is ellenálló, erősen ötvözött acélokból készíthetik. A szelep felületének teljesen más elvárásoknak kell megfelelnie, mint a felület mögötti zónának: kívül kemény, kopásálló felület szükséges, ezért a szelepek gyártásánál felületi edzést alkalmaznak. Sport- és nagy teljesítményű motorokban könnyebb és tartósabb titán szelepeket használnak.
Szelepméretezés és Elrendezés
Az alapvető cél a szelep méretének megválasztásánál, hogy a hengerek töltetcseréje a lehető leghatékonyabb legyen. Ez pedig akkor valósul meg, ha a szelepek a lehető legnagyobb átmérővel rendelkeznek. Fontos azonban megjegyezni, hogy a töltetcsere minőségére a szívó- és a kipufogószelep mérete különböző mértékű befolyással bír. A kipufogószelep nyitásánál a dugattyú tolja ki a hengertérből a kipufogógázt, azonban a szívószelep nyitásánál (szívómotor esetén) csak a dugattyú vákuuma segít beáramoltatni a levegőt, ami alig néhány tized bar nyomáskülönbséget jelent. Ezért a minél nagyobb átmérő elérése sokkal inkább érvényes a szívószelepre, olyannyira, hogy a kipufogószelep méretnövelésének rovására is megéri az előbbit tovább nagyítani. A szelepek számának megválasztása egy adott hengerhez még ma sem teljesen egységes. A leggyakrabban használt DOHC motorokban domináns mértékben van jelen a két szívó- és két kipufogószelep, létezik azonban öt-, és még kétszelepes kialakítás is.
Dacia: A felemelkedés kulisszatitkai a Renault-val
Gyakori Szelephibák és Karbantartás
Kritikus, hogy amikor zárva kell lenniük a szelepeknek, tényleg zárva legyenek. Ha nyitva maradnak, óriási lesz a munkaütem vesztesége, huzamosabb idő alatt beéghet a szeleptányér és a szelepülék. Ez túl szűk szelephézagok esetén állhat elő. A túl nagy szelephézag másik véglet: később nyit és/vagy hamarabb zár a szelep, mint kellene, ami zajosságot és teljesítményveszteséget okoz. A motor durrog, visszalő a karburátorba, vagy olyan könnyű berántani, mintha nem lenne benne ellenállás (kompresszió)? Ezek a tünetek gyakran a szelepek hibájára utalnak. Például, ha a motor leállt (mert sokáig állt benne a romlott benzin), a szelepek beragadhatnak a vezetőbe, és indításkor elgörbülhet a szelepszár. A szelepek nem tartoznak a rendszeresen cserélendő alkatrészek közé. Állapotukat ellenőrizni és beállítani (szelephézag beállítása) a gyártó előírásai szerint kell, általában 12-24 ezer kilométerenként. A csere csak meghibásodás, például szelepfészek kiégése, szeleptőke elgörbülése vagy túlzott kopás esetén válik szükségessé. A megfelelő szelepek kiválasztása kulcsfontosságú a motor megfelelő működéséhez és élettartamához. Fontos, hogy a szelepnek pontosan illeszkednie kell a motorkerékpár modelljéhez, évjáratához és motorverziójához, és érdemes megbízható gyártókra támaszkodni. Szelepcsere esetén szinte mindig cserélik a szelepszár-tömítéseket is, és ellenőrizni kell a vezetők és a rugók állapotát is.