A Benzinmotor Működése és Felépítése
A benzinmotorok a belső égésű hőerőgépek egyik legelterjedtebb fajtája, melyek a kémiai energiát mechanikai energiává alakítják, így végeznek munkát. Működésük alapja az égés, mely ugyanazon a helyen, a hengerben megy végbe. A benzinmotorok működésének megértése nemcsak a gépjárművezetők, hanem minden technikai érdeklődésű ember számára is alapvető fontosságú. A közhiedelemmel ellentétben robbanásról szó sincs (a robbanómotor kifejezés is hibás), a benzin egyszerűen elég.
Alapfogalmak
A benzinmotorok működésének megértéséhez ismernünk kell néhány alapfogalmat. A gázok és a gőzök próbálják kitölteni a rendelkezésükre álló helyet, de sűríthetőek is, viszont kompresszió hatására fölmelegednek. Ezen kívül még nő a nyomásuk is. Ha ritkításról beszélünk, ekkor mind a nyomásuk, mind a hőmérsékletük is csökken.
A Benzinmotor Működésének Alapelvei
A benzinmotorok működésének alapját az Otto-ciklus képezi. A motorban a hőenergiát úgy nyerik, hogy az üzemanyagot égés útján hővé alakítják. A motor egy gyújtógyertya segítségével elektromos szikrával meggyújtja a keveréket. A munkaanyag megnövekedett nyomása a motor dugattyúira hat, amelyek ezt az energiát mechanikai munkává alakítják. A dugattyúk egyenes vonalú, oda-vissza mozgást végeznek a hengerekben, ezáltal közvetítik az energiaátvitelt az égéstér és a dugattyúkhoz tartozó mozgó mechanizmus között. A fel-le mozgás (alternáló) a tengely „lépcsős” kialakításának köszönhetően alakítható forgómozgássá. Az égés annál hatékonyabb, minél egyenletesebb az oxigén és az üzemanyag eloszlása.
A Négyütemű Benzinmotor Működése
A négyütemű benzinmotor lényegében négy egységből áll: motorház, forgattyús mechanizmus, szelepvezérlés, keverékképző rendszer és járulékos segédberendezésekből. Egy folyamat négy munkafolyamatból (ütem) áll: szívás, sűrítés, munka, kipufogógáz. A löket a dugattyú mozgása a löket egyik holtpontjától a másikig. Ugyanakkor a forgattyús tengely (főtengely) minden egyes lökéssel fél fordulatot tesz meg.
-
Szívás
Az első lépésben (szívás) a dugattyú lefelé mozog, a felső holtponttól az alsó holtpontig halad. Ezzel egyidejűleg a szívószelepek is kinyílnak. Ez nyomásesést okoz a dugattyú felett (a dugattyú feletti nyomás alacsonyabb, mint a légköri nyomás), vákuumot teremtve. A motor szívó szelepén keresztül jut a levegő a hengerbe. A levegő és az üzemanyag együtt gyúlékony keveréket alkot. 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.
-
Sűrítés
Miután a dugattyú eléri alsó holtpontját és a szívófázis véget ér, felfelé mozog, visszamegy a felső holtpont felé. A vezérműtengely által vezérelt szívószelep elzárja a szívócső furatát. A dugattyú a felső holtpont felé haladva összenyomja a benzin-levegő keveréket. A magas hőmérséklet és nyomás elősegíti az üzemanyag elpárologtatását és levegővel való keveredését, ezáltal a keverék robbanékonyabbá válik. A keveréket azonban nem szabad túlzottan összenyomni a tömörítés során, hogy elkerüljük az üzemanyag öngyulladási hőmérsékletének elérését, az úgynevezett motorrobbanást vagy a motor kopogását.
-
Munka (Terjeszkedés)
Ebben a fázisban megindul az égési folyamat. A szelepek még mindig zárva vannak. A gyújtógyertyára szikra ugrik, és meggyújtja az összenyomott keveréket. Az égést, az égéstérben összesűrített benzin-levegő keveréket, a gyújtógyertya elektródái között átugró villamos szikra íve indítja meg. A nagynyomású égéstermékek kitágulnak, és lefelé nyomják a dugattyút, ezt nevezzük terjeszkedésnek, vagyis expanziónak. Csak ebben a lépésben működik a motor, ami azt jelenti, hogy a jármű által feldolgozható és mozgási energiává alakítható teljesítmény keletkezik. A dugattyú a csatlakozó rudazaton keresztül továbbítja az erőt a forgattyús tengelyre, amely a variátorhoz csatlakozik. Onnan az erő átkerül az ékszíjra, amely továbbítja az erőt a hátsó átalakítóhoz. Ez a tengelykapcsolóhoz (kuplung) van csatlakoztatva.
-
Kipufogás
Az utolsó löketben a dugattyú visszamegy a felső holtpontra. Ebben a fázisban a kipufogószelepek kinyílnak, hogy a kipufogógáz kiléphessen a hengerből. A dugattyú kinyomja a maradék kipufogógázokat, miközben a felső holtpontja felé halad. Közvetlenül a felső holtpont előtt van egy szelepátfedés, ahol a kipufogó- és a szívószelepek egyaránt nyitva vannak. 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 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.
Pro A 4 ütemű Otto motor működése
Keverékképzés és Üzemanyagellátás
Mielőtt a dugattyú működésbe léphetne, a tartályból származó benzint össze kell keverni a környezetéből származó levegővel. Ezért nem közvetlenül a benzin gyullad meg, hanem a levegő és a benzin gázkeveréke. Ahogy tisztáztuk, az égés kihasználáshoz - dugattyúval - zárt térre van szükségünk, ez viszont azzal jár, hogy az üzemanyagot, illetve az égéshez feltétlenül szükséges oxigént nem tudjuk bejuttatni a hengerbe. Ezt a problémát hivatottak megoldani a szelepek, melyek - legtöbbször - a hengertér tetején kapnak helyet, s mindössze annyi a feladatuk, hogy beengedjék az üzemanyag-levegő keveréket, majd az égés után kieresszék a keletkező füstöt és egyéb anyagokat.
Csavar nyomaték adatok: Passat B5 1.8 benzin
Fontos, hogy az égés annál hatékonyabb, minél egyenletesebb az oxigén és az üzemanyag eloszlása. Ebből következik, hogy nem elég simán becseppenteni a benzint a hengerbe, hanem annyira szét kell porlasztanunk, hogy a henger legtávolabbi sarkába is jusson, méghozzá olyan arányban, mint mondjuk az égéstér közepén. Ez nagyon nehéz feladat, de már sokan dolgoztak rajta, többek között Csonka János és Bánki Donát. A két magyar szakember a karburátor, magyarul porlasztó kiötlésével elsőként oldották meg a kérdést. Maga a karburátor azért tűnik bonyolultnak, mert az üzemanyag adagolása kifinomult művelet, és sok állítócsavar stb. kell hozzá. Amúgy tényleg csak annyi történik, mintha a porszívó csövét egy pohár víz fölé tartanánk pár milliméterrel - a víz és a levegő együtt utazik a porzsákba. Hozzáteszem, az üzemanyag-levegő keverék képzése a hatékony működés egyik legfontosabb eleme.
Ezért dobták ki pár éve a szimpla, mechanikus karburátorokat, és vezették be a számítógép-vezérlésű befecskendezőket, amelyeket injektorként ismerhetünk. Ezeknél ugyanaz történik, mint a karbinál, de sokkal pontosabb számítás alapján, így az üzemanyag-fogyasztás és károsanyag-kibocsátás alacsonyabb, a teljesítmény pedig magasabb. Ezeknél az elektronikus rendszereknél már nem feltétlenül a szívócsőben keverednek az anyagok. Sok motornál ugyanis egyenesen a hengerbe vezetik az üzemanyag csövét.
Benzin- és Dízelmotorok Gyújtásának Különbsége
Attól még, hogy az üzemanyag és a levegő a hengerben van, az égés nem kezdődik meg magától, a folyamatot el kell indítani. Ez a témakör kapóra jön, könnyedén rámutathatunk ugyanis a benzines és dízelmotorok közötti legfőbb különbségre. Benzinmotornál egy gyújtógyertya által adott elektromos ív (köznyelven szikra) lobbantja be a keveréket, míg dízelmotornál a nyomást hívjuk segítségül, ahol a legalább hússzoros kompresszió miatti felmelegedés hatására öngyulladással ég el az üzemanyag.
A Benzinmotor Alkatrészei
A benzinmotorok bonyolult rendszerek, számos alkatrész összehangolt működése szükséges a hatékony energiatermeléshez.
-
Hengertömb és Hengerfej
A hengertömb a motor középső része, melyben a hengerek és a dugattyúk találhatóak. A hengerfej a motor felső része, mely lezárja a hengereket és tartalmazza a gyertyafészket és a szelepfészkeket. A hengerfejt a hengertömbre csavarral erősítik.
-
Olajteknő
A motor legalján található, és a szükséges olajat tárolja. Csavarokkal rögzítik a hengertömb alsó részéhez.
-
Vezérműtengely
A vezérműtengely egy vékony rúd, melyet a főtengelyen lévő kerék hajt. A vezérműtengely fele fordulatszámmal forog, mint a főtengely. A szelepek mozgatását általában bütykökkel ellátott vezérműtengely végzi.
-
Dugattyú
A henger furatában van elhelyezve. A dugattyú alsó része a palást, mely a dugattyúcsapszeg befogadására szolgál. Általában egy dugattyún három dugattyúgyűrű van: kettő kompressziós és egy olajlehúzó. A dugattyúgyűrűk általában kopásálló vasból készülnek.
-
Hajtókar és Főtengely
A hajtókar köti össze a dugattyút a főtengellyel. A főtengely (nevezik még forgattyústengelynek is) alakítja át a dugattyú egyenes vonalú mozgását forgó mozgássá. Anyaga kovácsolt acél, vagy öntött vas. A motoron kívül, a főtengely végén található a lendkerék, melynek feladata a motor energiájának tárolása.
-
Szelepek
Minden hengerhez minimum két szelep szükséges, egy szívó, egy kipufogó. Egyes motorokban négy vagy akár öt szelep is van. A szelepvezetőben mozog, és a szelepfészket zárja le. A szelepfészek általában 45 fokos vagy 30 fokos szögben van köszörülve. A szelephézag nagysága szinte minden motortípusnál más. A gyártó megadja a szelephézagot külön a hideg és külön a meleg motornál.
A Kétütemű Benzinmotor Működése
A kétütemű belsőégésű motor a belső égésű motorok egyik fajtája, abban különbözik a négyütemű motortól, hogy mindössze két ütem (egy motorfordulat) alatt hajtja végre azt a ciklust, amit a négyütemű motor két fordulat alatt. Így a kétütemű motornál minden fordulatra esik egy munkaütem, szemben a négyüteművel, ahol csak minden második fordulatra. Kétütemű motorok használatosak a legnagyobb és legkisebb teljesítmények tartományában.
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.
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.
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 kétütemű motorok esetében gyakran speciális kipufogókat alkalmaznak amelyek kialakításuk miatt segítenek a gázlengések szabályozásában, a töltéscserében.
Pro A 4 ütemű Otto motor működése
Teljesítménynövelés Turbófeltöltővel és Intercoolerrel
A motor erejét leginkább az határozza meg, hogy milyen mennyiségű és energiatartalmú üzemanyagot égetünk el, ebből kell levonnunk a mechanikai veszteséget, ami például az alkatrészek közötti súrlódás számlájára írható. Minél több henger van, annál kifinomultabban jár a motor, hiszen az eltérő munkarendben mozgó dugattyúk többé-kevésbé kioltják egymás rezgéseit. Emellett a hengerek száma a teljesítményre is hatással van, elvégre minél több égés erejét tudjuk kihasználni, annál több kraft áll rendelkezésünkre.
Nagyobb motorok esetében a folyamat ugyanaz, a nagyobb motor több levegőt szív be, így nagyobb teljesítményre képes. Amennyiben azt szeretnénk, hogy egy kisebb motor nagyobb teljesítményt produkáljon, nincs más dolgunk, mint még több levegőt juttatni a hengerekbe. Ezt a feladatot látja el a turbófeltöltő.
Turbófeltöltő (Turbó)
A turbó viszont többlet levegőt juttat a hengerekbe egy turbina segítségével, amit a kipufogó gáz hajt. Mivel a kipufogó gáz nagyobb terhelésnél és nagyobb fordulatnál jelentősebb, mint alacsonyabb szinten, így a légnyomás is változik. Ennek a szabályzására szükség van. A Blow off szelep (BOV) egy nyomás csökkentő szerkezet a leömlő területen, amely megakadályozza, hogy a kompresszorban túlnyomás lépjen fel. Mivel a túlnyomás végső soron a csapágyak meghibásodásához vezet, az ehhez kapcsolódó nagy igénybevételnek köszönhetően. Kipufogó oldalon a Wastegate segítségével szabályozhatjuk a kipufogógáz nyomását.
A turbófeltöltőnél a tisztalevegő nyomása maximalizálva van, és ennek elérésekor a kipufogó gáz egy része egy szabályozott résen távozik. A belső wastegate-ek a turbina házba épülnek be és egy ˝flopper˝ szelep kart köt össze a túlnyomás szabályzó szeleppel. A külső wastegate előnye, hogy az elvezetett gázt újra be lehet vezetni a turbinához.
Különös figyelmet kell fordítani az olaj és víz csőhálózat karbantartására. Egy elhanyagolt szivárgó hálózat komoly meghibásodásokhoz vezethet. Fontos a megfelelő beállítás, mivel az olaj kimenettől a tömegvonzást használva mozog az olaj a rendszerben. A bemeneti oldalon ajánlott a nyomást 60 psi fölött tartani. Ügyelni kell a turbófeltöltő visszahűtésére, ez csökkenti a kenőolaj és a kopó alkatrészek lehetséges károsodását.
Intercooler (Töltőlevegő-hűtő)
A turbó üzem melegen, 1000°C is lehet, így a beszívott levegő felforrósodik, megtágul. Ritkább lesz, vagyis kevesebb lesz benne az oxigén, így kevésbé hatékony az égés. Ennek a ritka levegőnek a visszahűtésére szolgál a levegő visszahűtő, azaz az intercooler.
A Benzinmotor Karbantartása
A benzinmotorok karbantartása elengedhetetlen a hosszú élettartam és a megbízható működés érdekében. A legfontosabb karbantartási feladatok közé tartozik az olajcsere, a gyújtógyertyák cseréje, a levegőszűrő tisztítása vagy cseréje, valamint az üzemanyagrendszer karbantartása.
Olajcsere
Az olajcsere a legfontosabb karbantartási művelet. A motorolaj kenőanyagként, hűtőfolyadékként és tisztítószerként is működik. A csereintervallum függ a használat intenzitásától, az olaj típusától és a környezeti körülményektől.
Gyújtógyertyák Cseréje
A gyújtógyertyák állapota közvetlenül befolyásolja a motor teljesítményét és üzemanyag-fogyasztását. A gyújtógyertyák cseréje általában 15.000-30.000 kilométerenként javasolt, de ez függ a gyertya típusától és a motor jellemzőitől.
Levegőszűrő Tisztítása/Cseréje
A tiszta levegő- és üzemanyagellátás alapvető fontosságú a motor megfelelő működéséhez. A levegőszűrőt általában évente vagy 15.000-20.000 kilométerenként kell cserélni, de poros környezetben gyakrabban.
A Benzinmotor Környezeti Hatásai
A benzinmotorok környezeti hatása jelentős téma napjainkban. A háromfunkciós katalizátor drámaian csökkenti a káros kibocsátásokat. A jó minőségű üzemanyag használata nemcsak a motor teljesítményét javítja, hanem a környezeti hatásokat is csökkenti. Az etanol-keverékű üzemanyagok részben megújuló forrásból származnak, így csökkentik a fosszilis üzemanyagok felhasználását. Bár az elektromos járművek térnyerése kétségtelenül folytatódik, a benzinmotorok még hosszú ideig részei maradnak a közlekedésnek.