Az Otto- és Dízelmotorok Termikus Hatásfokának Összehasonlítása és Fejlesztési Irányai
A belsőégésű motorok olyan gépek, amelyekben a kémiai energia égés útján hővé alakul, amit gázhalmazállapotú munkaközeg mechanikai munkává alakít át. Napjainkban a belsőégésű motorok között a dugattyús motorok szinte egyeduralommal rendelkeznek. A belsőégésű motorokkal szembeni követelmények igen összetettek, gyakran egymással ellentétes igényeket kell a fejlesztőknek kielégíteni. Ezekben a fejlesztési irányokban igen fontos szerepet kap a mechatronika.
A Belsőégésű Motorok Története és Alaptípusai
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.
Az Ottó-motor: A Szikragyújtású Erőforrás
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. Ez a modell azonban tökéletlen volt, a hatásfoka nem haladta meg a 3-4%-ot.
1861-ben Nikolaus August Otto (1832-1891) kölni kereskedő kísérletezett összenyomott keverék meggyújtásával, amely négyütemű séma szerint működött. Bár a négyütemű motor elvét Alphonse Beau de Rochas francia mérnök már 1862-ben feltalálta és szabadalmaztatta is, a megvalósítás Otto érdeme. Ettől függetlenül 1867-ben N.A. Otto és Eugen Langen (porosz mérnök és iparos) a párizsi világkiállításon javított kivitelű belsőégésű motort mutatott be, ahol Nagy Aranyéremmel tüntették ki a munkájukat. 1876-ban Otto elkészíti az első kompressziós, négyütemű működési módú gázmotort, aminek hatásfoka körülbelül 11-15% volt. 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.
A Négyütemű Otto-motor Működése
Az Otto-motorokban a tüzelőanyag-levegő keverék gyújtásához szükséges energia külső energiával (pl. villamos szikrával) biztosított. Ezért nevezzük őket szikragyújtású motoroknak. A négyütemű Otto-motor működése négy fő ütemre bontható:
- 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. 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.
- Kompresszió (Sűrítés): Ettől a pillanattól kezdődik a második ütem. 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 sűrítési véghőmérséklet jön létre, mely következtében a végnyomás 18 bar értéket ér el.
- Munka (Expanzió): Attól a pillanattól kezdve, hogy a dugattyú ismét a legfelső helyzetbe kerül, kezdődik a harmadik ütem. 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 hőmérsékletet és a 40-60 bar nyomást. A nagynyomású égéstermékek kitágulnak, és lefelé nyomják a dugattyút, ezt nevezzük terjeszkedésnek, vagyis expanziónak.
- Kipufogás: A negyedik ütemben a dugattyú a legalsó helyzetből - ahová az előző ütemben került - ismét felfelé halad. 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 folyamat termodinamikai modellje az Otto-ciklus vagy Otto-körfolyamat.
2 ütemű Otto motor működése
Kétütemű Otto-motorok
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.
A Dízelmotor: Az Öngyulladás Elve
Rudolf Diesel 1892-ben szabadalmaztatta belsőégésű motorját, melyet eredetileg „olajmotornak” neveztek és működő prototípusát az augsburgi MAN cég készítette el. A dízelmotor belső égésű motor, amelynek működési elvét a német Rudolf Diesel szabadalmaztatta 1893.
A fő különbség az Ottó-motorhoz képest, hogy a dízelnél a tüzelőanyag (leginkább gázolaj) gyújtószikra segítsége nélkül, a legalább hússzoros kompresszió (légsűrítés) miatti felmelegedés hatására öngyulladással ég el és végez munkát a hengerben. A dízelmotor tiszta levegőt szív be és azt sűríti össze. A nagy nyomás miatt a levegő felmelegszik. Ebbe a forró levegőbe az adagolószivattyú dízelolajat fecskendez be, amely magas hőmérsékleten külön gyújtóberendezés (gyertya) nélkül meggyullad, elég.
A Termikus Hatásfok Fogalma és Befolyásoló Tényezői
A termikus hatásfok az a százalékos érték, melyet a motor maga tud hasznos teljesítménnyé alakítani, a hőveszteség hasznosítására nélkül. Az alapmotor termikus hatásfokaként ismert a dízel égési energiának a motor hasznos teljesítményű munkájává alakított százalékos aránya, anélkül, hogy hulladékhő-visszanyerő mechanizmusra lenne szükség. Minél jobb a termikus hatásfok, annál gazdaságosabb az adott motor.
Elméleti és Valós Körfolyamatok
A motorok kialakítását alapvetően befolyásoló tényezők a munkafolyamat és a konstrukció. Az elméleti körfolyamatban a sűrítés adiabatikusan történik. A hőbevezetés történhet állandó térfogaton és/vagy állandó nyomáson. Az állandó térfogaton történő hőbevezetést közelítő Ottó-körfolyamatnak, míg az állandó nyomáson történő hőbevezetést közelítő Diesel-körfolyamatnak szokás nevezni. Az expanzió adiabatikusan történik. Ahhoz, hogy a körfolyamatban visszajussunk az kiindulási állapothoz, állandó térfogaton hőt kell elvonni.
A valóságos munkafolyamat számos tényező miatt eltér az elméleti körfolyamatoktól. A töltet csere folyamatkor a friss töltet a hengerbejutáskor felmelegszik és a nyomása csökken az áramlási veszteségek miatt. A kompresszió kezdetén a friss töltet átlag hőmérséklete alacsonyabb mint fal hőmérséklete, így hőt vesz fel a falaktól. A főmunkafolyamat során főként az égési folyamat során a gázok egy része a dugattyú és persely közti réseken a kartertér felé távozik. Ez a közeg nem végez munkát így veszteséget okoz. Ezt a veszteséget nevezzük gázveszteségnek vagy „Blow-by”-nak. Az indikált munkának csak egy része jelenik meg a motor tengelyén a mechanikai veszteségek miatt.
A Kompresszió és a Hatásfok
A termikus hatásfok elsősorban a kompresszió nagyságától függ és csak kisebb mértékben egyéb paraméterektől. Kisebb kompresszió értékeknél a sűrítés növelésével jelentős hatásfok-növekedés érhető el. Ezért van az, hogy Ottó-motoroknál, ahol az ε értéke kb. 6-12 között változik, törekednek a sűrítés növelésére.
A Herman Ottó Intézet útmutatója a mezőgazdasági gépkezelői képzéshez.
Az Otto- és Dízelmotorok Hatásfokának Összehasonlítása és Fejlesztési Trendek
A belsőégésű motorok folyékony és gáznemű tüzelőanyagok alkalmazhatók - esetleg ezek keverékei. A leggyakrabban alkalmazott tüzelőanyagok a benzin, gázolaj, és különböző gázok. A levegő-tüzelőanyag keverék képzése történhet a motor hengerterén kívül (külső keverékképzés) és a motor hengerterén belül (belső keverékképzés). Míg a külső keverékképzés a hagyományos benzin- és gázmotorokra jellemző, addig a gázolajjal működő motorok és az un. direkt befecskendezéses benzinmotorok belső keverékképzéssel működnek.
A Diesel belsőégésű motor 127 évvel ezelőtti feltalálása óta a mérnökök és a tudósok sora törekedett arra, hogy javítsák a motor hatásfokát. Miközben a világ autóipara már az elektromos- és a hidrogénhajtás felé kacsintgat, a belsőégésű hajtásláncok sem merülnek feledésbe. Az átmenet ugyanis nem fog megtörténni egyik napról a másikra, és addig is fejleszteni kell a meglévő benzin- és dízelmotorokat is.
A Dízelmotor Termikus Hatásfokának Rekordjai
A kínai kutatók a jelek szerint el is készítették a világ első dízelmotorját, melynek termikus hatásfoka 53,09 százalékos - írja az Interesting Engineering. A minden korábbinál hatékonyabb motor a Weichai Power mérnökeinek munkáját dicséri, és egy belsőégésű motorokkal foglalkozó konferencián mutatták be. A fejlesztést már a TÜV SÜD és egy kínai tesztelő szervezet is hitelesítette.
A Weichai Power folyamatosan feszegeti a dízeltechnológia határait: a jelenlegi 53,09 százalékos hatékonyság sem az első rekordjuk, fokozatosan jutottak el idáig. Az alábbi táblázat bemutatja a Weichai Power dízelmotorjainak termikus hatásfokának fejlődését:
| Dátum | Termikus hatásfok | Megjegyzés |
|---|---|---|
| 2020. szeptember 16. | 50,23 % | Új rekord |
| 2022. január 8. | 51,09 % | Jelentős előrelépés |
| 2022. november 20. | 52,28 % | Megelőző rekord |
| (Legutóbbi rekord) | 53,09 % | Világrekord |
A legtöbb dízelmotor 46 százalékos termikus hatékonyságot tud felmutatni. Már az 52,28 százalék is 12 százalékos fogyasztáscsökkenést és széndioxid-kibocsátást jelentene. A Weichai Power kutatócsoportja több mint 500 napnyi koncentrált munkát fektetett négy létfontosságú rendszer optimalizálásába: az üzemanyagellátás, a levegőbeömlés, az égés és a súrlódáscsökkentés. A kísérlet eredményeképpen a motor világviszonylatban először lépte át az 53 százalékos hőteljesítményhatárt.
A Diesel-körfolyamat elméleti maximális hatásfoka 75 százalék. A nagy, kétütemű hajómotorok 55, a teherautó-motorok 45, a szokásos személyautó-motorok 43 százalékos hatásfokot érnek el. A Weichai Power 53,09 százalékos eredménye tehát messze átlagon felüli. A 45-46 százalékos termikus hatásfokról 53 százalékra történő korszerűsítés mintegy 14 százalékkal növelheti a dízelmotorok gazdaságosságát. Egy 250 ezer kilométer futásteljesítményű, nehéz traktor körülbelül 45 ezer liter dízelüzemanyagot takaríthat meg ennek a technológiának köszönhetően.
Alternatív Körfolyamatok: Az Atkinson-motor
Voltak és ma is vannak a témában kutató szakemberek, akik nem voltak hajlandók elhinni, hogy az Otto- és Diesel-körfolyamat szent és sérthetetlen, így alternatív megoldások után néztek. Az Otto-ciklus termikus hatásfoka viszonylag kedvezőtlen. Az Atkinson-motorban tulajdonképp egyetlen dolog más, mint az Ottoban: a munkavégző ütem hosszabb, mint a sűrítő ütem. Az igazsághoz hozzátartozik, hogy ezt a megoldást a gyakorlatban hagyományos hajtórudazattal nem lehet megvalósítani. Hasonlóan az eredeti elvhez, a dugattyú a motor szívó és sűrítő üteme alatt kisebb utat tesz meg, mint a munkavégzés és kipufogás üteme alatt. Itt a főtengely az Otto-motorral megegyezően négy ütem alatt kétszer fordul körbe. Látszólag pont ugyanolyan, mint egy hagyományos belső égésű motor - mégsem az.