Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Motor technika 2

2007.12.20
A hengerfej
 
16V hengerfej Aki az automobil-építésben "agymunkáról" beszél, az a hengerfejre gondol a befecskendező- és kipufogó-csatornákkal, égésterekkel és a szelepszabályzásra. A motor ezen részei felelősek a gázcseréért, és így elrendezésükkel és konstrukciójukkal mérvadóan felelősek a motor teljesítményéért. A manapság igen széles körben elterjedt és modernnek számító 4 szelepes motor két felső helyzetű vezérműtengellyel alapjában véve inkább egy régi darab. Ilyen motorok már kerek 85 éve léteznek. A tömeges motorosítás azonban mégis egy technikailag sokkal alacsonyabb színvonalon történt: a motorok oldalsó vezérlésűek voltak és álló szelepekkel rendelkeztek, valamint egy mélyen a motorblokk alatt elhelyezkedő vezérműtengellyel. Az 50-es évek elején végül az ohv-motor ("overhead valves") kerekedett felül. Ismertetőjelei voltak a függő szelepek, melyeket egy alsó helyzetű, a hengerfejen kívül elhelyezkedő vezérműtengely működtetett szelepemelő rudakkal. Az ilyen jellegű szelepszabályozással még a v-helyzetben egymással szemben elhelyezkedő szelepek irányítását is megvalósították (pld. a Peugeot-nál és a Citroen-nél). Az elérhető fordulatszámok ezzel a szabályozási rendszerrel azonban a 6000 és maximálisan 7000 rpm közötti tartományra szűkültek.

Néhány szelepvezérlési megoldás :

Szelepvezérlési megoldások
 
DOHC vezérműtengelyek A motorok teljesítményének további növeléséhez szükség volt az "ohc"- vagy inkább "dupla-ohc"-szabályozású motorokra, mivel a magasabb fordulatszámok megkövetelik a megfelelően "erős" és lehetőleg könnyű szelepirányítást. Az "ohc" rövidítés jelentése az "overhead camshaft". Itt a vezérműtengely a hengerfejben mozog, és a hosszú szelepemelő rudak és szelepemelők, melyek a szelepeket irányítják, nem szükségesek. Ennél a felépítési formánál a vezérműtengely vagy a sorba rendezett szelepek fölött helyezkedik el, melyeket vagy húzóemeltyűvel, vagy közvetlenül csészés szeleptőkével nyit, vagy a v-alakban egymással szemben rendezett szelepek között, melyeket azután szelepemelők között működtetnek. A mai modern motorok (majd) mindegyike két felső helyzetű (dohc) vezérműtengellyel és hengerenként négy szeleppel pörög. Mindig egy vezérműtengely irányítja a befecskendező- és egy a kipufogó-szelepeket. Ez a felépítés megengedi az állítható vezérműtengelyeket, és ezzel az állítható szabályozóidőket a mindenkori üzemeltetési körülményekhez igazodva. Ezzel szemben három szelepes motorokat, két beengedő és egy kipufogó szeleppel, vagy ötszelepes (három be- és két kipufogó-szelep) motorokat is forgalmaztak, forgalmaznak napjainkban is. A vezérműtengelyeket vagy fogasszíjjal vagy lánccal hajtják, fajtiszta versenymotoroknál kizárólag fogaskerekekkel. A szelepvezérlés mellett a szelepek elhelyezkedése a hengerfejben alapvető fontosságú szerepet játszik a mindenkori motor teljesítményében. Mint már említettem, a motor optimális töltése mérvadó a magasabb teljesítmény transzformálásához.

Hengerfej csatorna A motor telítettsége függ a szelepek nagyságától és nyitási idejétől, valamint a befecskendező- és kipufogó-csatornák formájától és vezetésétől. Továbbá figyelembe kell venni a kipufogógáz-ellennyomást, amely természetesen függ a kipufogórendszer hosszától. A tervezők a mai "standard-4-szelepes-fej" fejlesztése során időnként igen különböző utakat választottak, ami például a szelepszögeket és a csatornavezetéseket illeti. Így a VW például időnként aszimmetrikus szelepszöget alkalmazott, ami igaz egy relatív kompakt hengerfejet eredményezett, ám ezzel egyidejűleg egy rosszabb égéstérhez és egy áramlástechnikailag kedvezőtlen kipufogó-csatornához vezetett. A BMW-nél ugyan egy optimális elrendezését választották a befecskendező- és kipufogó-csatornáknak, azonban egy relatív szűk szelepszöggel. Ez az elrendezés egy két részből álló hengerfejet követelt, a fejcsavarok megfelelő elrendezéséhez. Egy igazán kiegyensúlyozott megoldást mutatott be a Mercedes. Egy nagy szelepszög esetén nagy szelepátmérőt kapunk, a befecskendező- és kipufogó-csatornák egy még elfogadható elrendezése mellett. Az Opel igaz ugyanazt a szelepszöget alkalmazza, mint a Mercedes, azonban jelentősen kisebb szelepeket alkalmazott és így egy majdnem optimális vezetésű befecskendező-csatornát kapott.
 
Csészés hidrotőke Napjainkban a 4-szelepes-hengerfejet kell standard felépítésnek neveznünk. Ennél a szelepvezérlés általában két vezérműtengelyből, a szelepekből, szeleprugókból, tartóékekből és szeleptárcsákból áll. Ide tartoznak még felépítésnek megfelelően a csészés szeleptőkék ill. billenő- vagy húzóemeltyűk, mint átvivőelemek. A vezérműtengelyek szabályozása fogasszíjjal vagy újabban gyakran lánccal történik. A modern szelepszabályozó-rendszerekkel szemben támasztott elvárások a zajszegény üzemelés, kis kenőanyag-veszteség, alacsony kipufogógáz-kibocsátás és alacsony üzemanyag-fogyasztás. Javulásként először a hidraulikus szelephézag-kiegyenlítés. Itt már nem szükséges többé a (megfelelő) szelephézag rendszeres intervallumokban történő ellenőrzése és igény esetén beállítása, mivel a motor teljes élettartama során minden üzemeltetési állapothoz egy a szelepirányításon belüli hidraulikus rendszer beállítja azt. A hidraulikus szelephézag-állítás az állandó szelepemelkedési-görbékhez vezetett és minimalizálta a zajképződést is. Ezzel egyidejűleg a továbbiakban a karbantartási költségek is csökkentek. Mechanikus szelephézag-kiegyenlítést igazából manapság kizárólag sport- vagy verseny-motoroknál találhatunk. Ezeknél a motoroknál a szelepeket leggyakrabban a vezérműtengely közvetlenül csészés szeleptőkékkel szabályozza. A szelephézag kiegyenlítésére itt kis, eltérő vastagságú fémlemezeket alkalmaznak, melyeket a szelep és a szelepemelők közé helyeznek. Mikor az ilyen felépítésű motoroknál a szelephézag korrigálásra szorul, az legtöbször igen költséges, mivel az acéllemezek cseréjéhez le kell szerelni a vezérműtengelyeket, mivel csak így tudjuk kivenni a szelepemelőket, hogy végül a lemezkéket lemérhessük és adott esetben kicserélhessük. A hézag újbóli leméréséhez természetesen újból fel kell szerelnünk a vezérműtengelyt. Egyes gyártóknál (pld. Alfa Romeo) a szelephézag ellenőrzése előtt még egy kiadós próbaútra is szükség van, amely után még meg kell várni, míg a motor lehűl. Ebben az esetben csak a szelepek beállítása nem ritkán egy teljes napot vesz igénybe. Azonban az egyszerű felépítésű ohv-motorknál is előfordul néhány különleges megoldás a szelepbeállításnál: így például a 60-as években az Opel-motorok szelepeit járó motornál kellett beállítani.

A standard-4-szelepes megoldásoknál minden esetre adódott egy hátrány: mivel a szelepszabályozási idők magas fordulatszámra voltak beállítva, alacsony fordulatszámon jelentősen kisebb nyomatékot kapunk, mint egy azonos munkatérfogatú 2-szelepesnél. A beeresztés- és kieresztési-idők nagy átfedései, melyek magas fordulatszámnál a jó gázcseréhez elengedhetetlenek és az alacsony áramlási sebességek a legtöbbször jóval nagyobb csatornákban, itt negatívan hatnak. Ezeknek a problémáknak a kiküszöbölésére szükségessé váltak az üzemelés közben változtatható szabályozási idők. Ezzel lehetővé vált a motor különböző üzemállapotaihoz mindig optimális szelepszabályozási-idők elérése. A szabályozási időket úgy változtatták, hogy a befecskendező- és kipufogó-szelepek szelepátfedései az alsó és középső fordulatszám-tartományban kisebb legyen. A befecskendező-vezérműtengely beállításánál például legtöbbször három fázisban végzik: üresjátatban vagy részleges terheléssel későire, így a szelepátfedési időt rövidítik és a kipufogógáznak a szívóoldalra történő visszaáramlását csökkentik. Teljes terhelésnél az alsó fordulatszám-tartományban koraira , a befecskendezőszelepek korán záródnak az utántöltés után, így a felfelé haladó dugattyú nem tudja visszalőni a friss gázt a szívórendszerbe. Teljes terhelésnél a felső fordulatszám-tartományban újra későire állítás, a befecskendező-szelepek későn záródnak az utántöltés után, a friss gáz utántöltő hatása javítja a töltést (és a forgatónyomatékot). Az állítószög legtöbbször a forgattyús-tengely 20-30 foka.

Opel motor szívócsővel Mivel az állítható vezérműtengellyel legalábbis alacsony fordulatszámon még mindig nem sikerült elérni a 2-szelepesek forgatónyomatékát, másrészt a teljesítmény és a gázkibocsátás optimalizálásához 4 szelepre van szükség, jöttek az úgynevezett kapcsolható szívócsövek, melyek a szívórendszerben a gáz sebességét az üzemeltetési körülményekhez igazítják. A kapcsolható szívócső megváltoztatja a szívórendszer effektív hosszát: hosszú szívócső alacsony, és rövid szívócső magas fordulatszámon. A szelephajtás szabályozza tehát a motor gázcseréjét. Ennek a feladatnak a realizálásához a bütykök profilja a mindenkori motor szabályozási időit képezik le közvetlenül. Átvive azt egy darab papírra, megkapjuk a megfelelő szabályozógörbéket. Ha ezeket tanulmányozzuk, rájöhetünk, hogy a szelepek igazából elég rövid ideig vannak teljesen nyitva. Sok időt igényel a nyitás és a zárás. Ezen fázisok közben állandóan változik a szelepek nyílásának keresztmetszete, így a gázáramlás is állandó változásoknak van kitéve. Egy további előrelépés az aktuális sorozathajtóműveknél ezért az olyan vezérműtengely, amelynél a bütyök profilja egy meghatározott szakaszon konkáv lefutású. Az ilyen bütyökprofillal lehetővé teszi a szelep meredek "nyílás- és zárás-lefutását"; ezzel egyidőben ez a bütyökprofil egy kissé hosszabb periódust eredményez, melynek során a szelep teljesen nyitott állapotban van. Követelmény azonban a csapágyas- vagy húzóemeltyűk alkalmazása, mivel csak ezek képesek egy konkáv profil lefutását megbízhatóan követni. Az így javított töltési fok csökkenti az üzemanyag-felhasználást ugyanakkora teljesítmény mellett. Minden esetre a hajtómű abszolút szelepemelkedése változtathatatlan marad ennél a megoldásnál is. Egy még hatékonyabb fogyasztás-optimalizáláshoz ezért még egy lépéssel tovább kell mennünk, és ezzel elkerülhetetlenül a teljesen variábilis szelepszabályozáshoz jutunk, amely egy állítható szelepemelkedést is lehetővé tesz.