Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Motor technika 4

2007.12.20
Égésterek és szelepek
 
4 szelepes 'tető' alakú égéstér A szelepvezérlés után vizsgáljuk meg ezúttal az égéstérformákat és a szelepeket. Kezdjük az égéstérrel. Itt történik a motor tulajdonképpeni munkavégzése. Az égéstérben történik a bevitt energiának - az üzemanyag-levegőkeveréken alkalmazott sűrítés és gyújtás hatására- hővé történő átalakítása. Annak érdekében, hogy az égés és az energia átalakítás a lehető legoptimálisabb lehessen, az égéstérnek a keverék égésének lefutásához kell igazodnia. Magának az égéstérnek a nagyságát a hengerfuratnak és a meghatározott sűrítési aránynak a méretei határozzák meg. Az alaknak viszont lehetőleg segítenie kell a keverékörvénylést, mivel a bevitt üzemanyag-levegőkeverék, miután bejut az égéstérbe, általában még nagyon inhomogén módon keveredett csak össze, azaz még nem égethető el optimálisan. Az égéstér alakjának következtében kell javulnia a keverékörvénylésnek és ideális esetben az égési folyamatot is olyan módon kell áramlástechnikailag vezetnie, hogy lehetőleg az égéstérben megtalálható összes üzemanyag-levegőkeverék elégjen. Csak így kapunk teljesen kopogásmentes, optimális motorteljesítményt és egy tiszta égést. Ennek elérése érdekében az égéstérnek lehetőleg egy kompakt térnek kell lennie kis felülettel. Az ideális égéstér gömb alakú volna, mivel ekkor lenne az égés lefutása a leggyorsabb, és az örvénylés ideális. Egy ilyen égéstér azonban csupán kétüteműeknél lehetséges, mivel a négyütemű motornál a szelepeknek is az égéstérben kell elhelyezkedniük és így ebben az esetben el kell térnünk az ideális alaktól.


Dirket befecskendezés (Heron égéstér) Az utóbbi években, elvben az alábbi égéstér-alapformákat dolgozták ki:
- kád alak párhuzamos állású szelepekkel
- modifikált félgömb, v-alakban függő szelepekkel
- tető alak a négyszelepes-motoroknál
- úgynevezett Heron-égéstér különböző variánsai, melynél a tulajdonképpeni égéstér a dugattyúban (dízelmotorok) helyezkedik el.

A Heron-égéstér egyik formáját benzines motorban először a 60-as években láthattuk az Audi nagyszériában. Az égéstér manapság leggyakrabban látható formája a tető alak. A mindenkori befecskendező- és kipufogó-szelepek párhuzamosan állnak egymás mellett. A négyszelepes megoldás feltörekvőben van, mivel itt egészséges egyensúlyban van az égéstér és a gázcsere, valamint a termikus és mechanikus terhelés.
 
Mivel az optimális gázcseréhez a szelepeknek egyrészt lehetőleg nagynak kell lenniük, másrészt olyan elrendezésben kell elhelyezkedniük, hogy az égéstérben a gázáramnak megfelelő örvénylést biztosítsanak (lásd például Suzuki) és a gyújtógyertya lehetőség szerint az égéstér közepén helyezkedjen el, éppen ezért a négyszelepesek esetén gyakran elég szétdarabolt égéstereket találunk. Ezekben a "résekben" az üzemanyag-levegőkeverék gyakran nem ég el tökéletesen. Az Alfa Romeo esetén, amely úttörőnek számít a tető alakú négyszelepes égésterek alkalmazásában, duplagyújtással találtak kiutat. Ennél két kis átmérőjű, egymás mellett elhelyezkedő gyújtógyertyát találunk, ezek gyújtják be az egész keveréket. Mióta léteznek magasan fejlett motormenedzsment-rendszerek, a dupla-gyújtógyertyás megoldású rendszereknél a második gyertya gyújtószikrájának leadását időben késleltethetjük (milliszekundumos tartományban) és így a keverék optimális gyújtását érhetjük el. Egy tető alakú égéstér és a szelepek megfelelő elrendezése esetén általában a dugattyú aljában rések találhatóak a szelepeknek (szelepzsebek), melyek ugyancsak hozzájárulnak az égéstér feldarabolódásához és befolyásolják az égés lefolyását. Egy szívómotor teljesítményének további növelésére többek között a szelepek méretét is növelnünk kell. Ez azonban már csak radiálisan elhelyezkedő szelepekkel valósítható meg, melyek egy félgömb alakú égéstérben ülnek. Ennek következtében a szelepek már nem egymással párhuzamosan állnak, ami megint csak jelentős többletráfordítást igényel a vezérműtengelyek építésénél. Az összes égéstér együtt általában "nyomászónaként" működik. Ekkor a keverék röviddel a dugattyú felső holtpontja előtt a fő égéstérbe préselődik. Ez az eljárás biztosítja a levegő és az üzemanyag erős örvénylését és ezzel egyenletes elkeveredését. A fő égéstérben a rövid láng-utak miatt a keveréknek egy nagyon gyors égése következik be a gyújtás után.

Keveréktöltési módok Mielőtt a törvényalkotók a levegő tisztaságának megtartását szolgáló rendeleteket alkottak volna, az optimális égéstér utáni kutatás kizárólag a teljesítmény növekedését tartotta szem előtt. Egy optimális égéstér általánosan csökkenti az előgyújtást, csökkenti a gyújtógyertya szükséges hőértékét, csökkenti a motor kopogását és lehetővé teszi magasabb teljesítmény esetén is az alacsonyabb oktánszámú normálbenzin alkalmazását. Ezen kívül automatikusan egy jobb kipufogógáz-minőség adódik. Ezek a felismerések a drasztikusan szigorított kipufogógáz-törvények hatására az égésterek, dugattyúk és szívócsövek új formatervezését eredményezték. A csappantyúkkal szabályozott szívócsövekkel kombinálva olyan dugattyúkat alkalmaznak, melyek a sűrítés és a visszanyomás során a frissgáz beáramlását a hengerbe különleges építési formájukkal úgy támogatják, ahogy azt a mérnök az égési folyamathoz kívánja. Ebben az esetben "réteg-" vagy "örvény-töltésről" beszélünk. Itt a mindenkori fordulatszám ill. teljesítményprofil szerint egy egyenetlen (réteges) keverékeloszlás segítségével egy benzines motornál, soványgáznál (lambda 0,9 -ig) is lehetséges az égés. Ez csökkenti a fogyasztást részleges terhelés esetén és lehetővé teszi a megfelelő katalizátorral együtt a nagyon alacsony károsanyag-kibocsátást. Legtöbbször a mérnökök egy "faltámaszos frisslevegő-bevezetőrendszert" alkalmaznak. A faltámaszos azt jelenti, hogy a frisslevegő-áram például a dugattyúvályú falán térül el vagy kezd forgásba. Gyakran az áramlást a hengerfalak és az égéstér speciális alakú felületei (boltozatok) vezetik tovább. A variábilis befecskendezési-idők segítségével is befolyásolható az örvény- vagy rétegtöltés keveredése. Az ilyen módon optimalizált égési folyamatok esetén lehetséges a bevitt üzemanyag jelentősen jobb energia-kihasználása, ami egy "hidegebb" égést eredményez. Ez lehetővé teszi a kisebb hűtőfelületeket, ami ugyancsak jót tesz az autók cW-értékének. Mindemellett télen csökken a hagyományos hőcserélő-fűtés hatékonysága, mivel kevesebb meleg hűtővíz áll rendelkezésre.

A szelepek

A nagy teljesítményű motorok esetén az alkatrészek, mint például szelepek, szelepcsészék vagy kipufogó-csatornák hőterhelése, amely többek között a nagyobb szelepátfedési időknek köszönhetően keletkeznek, egy további, nem lebecsülendő probléma. A kipufogó-szelepek állandóan 700 - 900 fokos hőmérsékletnek vannak kitéve. Ezt a hőt azonban el kell vezetni a szelepekről. Így a nagy teljesítményű motorokban legtöbbször nátriummal töltött kipufogó-szelepeket találunk. Ezek állhatnak monometallból, azaz egy fémfajtából vagy két különböző fémfajtából összehegesztve. Az összehegesztett szelepek esetén a szelepek általában erősen ötvözött különleges fémekből állnak. A szelepcsészéket ezen felül kopásálló króm-nikkel bevonattal vonják be. A szelepcsészék ugyancsak nagy szilárdságú és hőálló alapanyagokból állnak és Szelepek azokat az időközben általánosan használt alumínium-hengerfejekbe zsugorítják. Pár évvel ezelőtt már bevezették a kerámia-alapú kipufogó-szelepeket. A DaimlerChrysler például az SLK-t részben ilyen jellegű szelepekkel szerelte fel. A kerámia-szelepek még inkább könnyebbek és jelentősen hőállóbbak, mint az acélkivezetések. Jelenleg a négyszelepes-motor tető alakú égéstérrel képezi a legszélesebb körben elterjedt formát. Ennél az építési módnál adódik a legjobb kompromisszum a mechanikus ráfordítás és az áramlástechnikai szükségszerűség tekintetében. Egy tányérszelep esetén a gázáteresztés lényegében a gyűrűfelülettől függ, amely a szelep nyitásánál válik hatékonnyá. A gázáteresztő felület, melyet a szelep szabaddá tesz, egy képlet alapján számolható. Ez az elméleti számolás természetesen csak közelítő értéket ad, de egyértelműen bizonyítja, hogy egy szelepen a gázátáramlás annál nagyobb, minél nagyobb maga a szelep. Pozitív hatásúak a gázáramlásra -és ezzel a töltésre- a lehetőleg lapos szelepülés-szögek. Ugyancsak fontos a befecskendező- és kipufogó-szelepek különböző nagysága, mivel a befecskendező-szelepeknek a létrejövő nyomáskülönbség miatt a gázcseréhez nagyobbnak kell lenniük, mint a kipufogó-szelepeknek. A kipufogó-szelep nyitásakor a hengerben uralkodó maradéknyomással szemben a befecskendező-szelep nyitásakor csak egy relatív gyenge vákuum keletkezik a lefelé haladó dugattyúnak köszönhetően, amely egy szívómotor esetén egyedül meghatározza a frissgáz-mennyiséget, amelyet beszív.

Egy azonos hengerfuratnál a szelepátmérő egy négyszelepesnél mindig kisebb, mint egy kétszelepesnél. Így egy két literes kétszelepesnél, 86 milliméteres furat esetén 41,8 milliméteres befecskendező- és 36,5 milliméteres kipufogó-szelepeket találunk. Ugyanennél a motornál négyszelepesnél két 33 milliméteres befecskendező- és két 29 milliméteres kipufogó-szelepet alkalmazunk. Mivel a szelepek kisebbek, alkalmazhatunk vékonyabb, 6 - 7 milliméteres szelepszárakat a 8 milliméteres helyett. A BMW már alkalmaz olyan szelepszárakat, melyek csak 5 milliméter vastagságúak. Az előny egyértelmű: a vékonyabb szelepszárak javítják a gázáramlást, mivel a szelepeket a szívócsöveken keresztül kell vezetni és a vékonyabb keresztmetszetek az áramlást kevésbé akadályozzák. Bár az egyes szelepek a négyszelepeseknél kisebbek, ezzel szemben egy jelentősen nagyobb geometriai keresztmetszetet kapunk a szelepnyitási időintervallumban, az általában csekélyebb maximális szelepemelkedés ellenére is.
Sok kísérletezés eredményeképpen elmondható, hogy a négyszelepesnél a szelepemelkedés 9,5 mm fölötti értékeknél már nem okoz javulást, ellentétben az általában 11 milliméterig terjedő szelepemelkedéssel a hengerenként kétszelepes motor esetében.

A geometriai összefüggések, melyek elméletileg adódnak, a gyakorlatban csak közelítő értékekként kezelendőek, mivel a ténylegesen uralkodó további körülményeket, mint nyomásfelületeket, égéstérformákat, szelepvezetéseket, stb. csak elégtelenül veszik figyelembe. Ezért a gyakorlatban inkább "áteresztési ráták"-ról beszélünk, melyek speciális szimulációs programokban is alkalmazásra kerülnek. Az áteresztési ráta kifejezi a geometriailag szabad szelepátmérőből a ténylegesen a gázáram által kihasznált szelepátmérőt. Az áteresztési ráták összehasonlításánál a kétszelepes egy 0,5 -ös rátával jobban végez, szemben a négyszelepes 0,42 -es értékével. A négyszelepes motor hátránya lényegében az, hogy a tető alakú égéstérben a szorosan egymás mellett elhelyezkedő szelepek kölcsönösen befolyásolják a gázáramlást. Ezt a hátrányt kompenzálja azonban a jelentősen nagyobb effektíven szabad szelepátmérő. Egy további előnye a négyszelepesnek a szelepvezérlésben található csekélyebb mozgótömeg. Mivel a szelepek kisebbek, csökken azok tömege is. Amennyiben a szelepek könnyebbek, a szeleprugók is lehetnek kisebb (könnyebb) kivitelezésűek. Egy összességében könnyebb szelepvezérlés jobban gyorsítható és fordulatszám-stabilabb. A motor "pörgősebb" lesz és spontánabbul reagál a gázváltozásra.