Dr. Lévai Zoltán professor, emeritus
Az itt közreadott oktatási segédletek szerzői jogvédelem alatt állnak, de közvetlen oktatási/tanulási célra - a forrásra való hivatkozással - szabadon felhasználhatók. Kereskedelmi célra (pl. könyvírás) a szerzők engedélye nélkül tilos reprodukálni, sokszorosítani, adatrögzítő rendszerben tárolni, bármilyen formában vagy eszközzel közreadni még részletekben vagy módosítva is.
Harmadik rész: M O T O R
1. Bevezetés
A világ első, Leonardo Da Vinci "autóját" még farugó hajtotta (1495), Cugnot "autóját" már gőz (1770).
Sokan hittek abban, hogy a perpetum mobile az igazi motor. A számtalan ötlet közül csak néhány.
A gépjárművek hajtására általában kémiai vagy villamos energiát használnak. A kémiai energiát a tüzelőanyagok (ha a motorról beszélünk), illetve hajtóanyagok (ha már a gépjárműről van szó), hordozzák, amelyek általában folyékony halmazállapotúak (benzin, gázolaj) mind gyakrabban gázok (pl. propán-bután), de előfordulhat szilárd anyag is (pl. faszéngenerátoros üzem esetén). A tüzelőanyag elégetésével nyert hőenergiát valamilyen munkaközeggel közöljük. Attól függően, hogy a munkaközeg maga az égéstermék (gáz) vagy valamilyen idegen anyag, pl. víz vagy levegő, beszélünk belsőégésű és külsőégésű erőgépekről. Mindkét esetben gáznemű munkaközeget kapunk, amelynek segítségével mechanikai energiát állítunk elő. Attól függően, hogy a munkaközegnek a nyomását vagy a mozgási energiáját hasznosítja az erőgép, vannak aerosztatikus (térfogatkiszorításos) és aerodinamikus erőgépek.
A villamos hajtást szintén két csoportba osztjuk
- külső energiatáplálású (pl. trolibusz),
- belső energiatárolású.
Az utóbbinál a tárolt energia lehet közvetlenül villamos energia (pl. akkumulátorban) vagy kémiai energia, amiből közvetlenül villamos energiát kapunk (pl. tüzelőanyag-cellával). Nem tartoznak ebbe a kategóriába azok a járművek, amelyekben villamos motor hajtja ugyan a kerekeket, de a villamos energiát valamilyen belső- vagy külsőégésű erőgéppel, esetleg felpörgetett lendkerékkel hajtott dinamóból vagy generátorból nyerjük. Itt ugyanis az erőgép - a motor, vagy a lendkerék - már szolgáltatja a jármű hajtásához szükséges mechanikai energiát, a villamos rész csak az erőátvitel szerepét tölti be, ugyanúgy, mint mondjuk egy szivattyúból és hidromotorokból álló hidrosztatikus hajtás. Viszont foglalkozni fogunk olyan hajtással, melyben a villamos motor és a belsőégésű motor egyidejűleg, közösen hajtja - bizonyos üzemállapotban - a járművet (hibrid hajtás).
Belsőégésű aerosztatikus erőgépek
A legelterjedtebb gépjárműmotor-fajta. Működési alapelvük, kialakításuk legfőbb jellemzői közismertek. A részletekbe menő ismertetésre a későbbi fejezetekben kerül sor.
Belsőégésű aerodinamikus erőgépek
A gázturbinákat korábban legfeljebb hajók és vasúti járművek hajtására használták, az utóbbi években közúti járművekbe is beépítik. Igaz, olyan autót, amelyiket gázturbina hajtott, sorozatban csak egy gyár állított elő. Viszont az utóbbi időben megjelentek olyan hibrid gépjárművek, amelyben belsőégésű motor helyett gázturbina hajtja a villamos áramot előállító gépet (dinamót, generátort). A gázturbina alapelve: az elégetett tüzelőanyaggal felmelegített, s így kitágulni kényszerülő gáz (levegő + égéstermék) az égéstérből kipréselődve turbinalapátnak ütközik, s az átveszi az áramló gáz kinetikai energiáját.
A gáz előállítására" két mód van. Eleinte inkább az ún. szabaddugattyús megoldással próbálkoztak, azonban egyszerűsége és jó fajlagos tömege ellenére sem tudott elterjedni (nehezen indítható, túl gyors az alapjárata, részterheléskor rossz a hatásfoka stb.).
A gázturbinához centrifugális légkompresszort és külön égésteret használnak. A kompresszor beindítására villamos motor szolgál, de később egy segédturbina hajtja, ami természetesen az előállított gáz kinetikai energiájának egy részét felhaszŹnálja, s csak a maradék jut a munkaturbinára.
A gázturbina fordulatszáma kb. tízszer akkora, mint egy korszerű dugattyús motoré, ezért a hajtóműben lényegesen nagyobb áttételre van szükség. Gyakorlatilag a hajtómű egy részét már magába a gázturbinába építették be (egy állandó áttételű bolygóműves reduktor), hogy a továbbiakban a hagyományos hajtóműelemeket lehessen használni. Természetesen a gázturbina kedvezőbb karakterisztikája miatt lényegesen kevesebb fokozatú sebességváltóra van szükség, legtöbbször elegendő két fokozat.
A gázturbinák termikus hatásfoka ma még nem kielégítő. Javítására két lehetőség van: hőcserélő beépítése, vagy nagyobb nyomásviszony alkalmazása.
A gázturbina előnyei:
- kevés alkatrész, kisebb tömeg (30...40' %), kisebb méretek;
- nincs szükség hűtésre, nincs fagyveszély stb.;
- nincs állandóan működő gyújtás;
- kevés a súrlódó, pontos megmunkálást és kenést követelő alkatrész (ezért javítása egyszerűbb);
- olajfogyasztása csekély;
- olcsó tüzelőanyaggal működik, kerozin (tisztított petróleum) is használható;
- a gázturbina alkatrészei üzem közben csak forgó mozgást végeznek;
- induláskor nincs szükség tengelykapcsolóra;
- a sebességváltó egyszerűbb, legtöbbször két fokozata van előre és egy hátra;
- még alacsony hőmérsékleten is könnyen indítható;
- gyorsulása kedvezőbb, fokozat nélküli, legnagyobb nyomatékát indításkor fejti ki;
- kezelése egyszerűbb, az indítása, kapcsolása stb. lényegesen könnyebb, mint a dugattyús motoroké,
- karbantartása egyszerűbb;
- a kipufogógázok lényegesen kevesebb szennyező anyagot tartalmazŹnak, csak tizedét az azonos teljesítményű benzinmotorénak.
Hátrányai:
- a hatásfok nem kielégítő.
- az égéstér és a turbinák szerkezetei különleges nagy szilárdságú és hőálló anyagot igényelnek, a nagy szilárdságú anyagok (titán, volfrám, nikkel, króm stb.) drágák, megmunkálásuk nagy hő- és mechanikai szilárdságuk miatt nehéz, illetve drága öntési eljárást igénylő, a gázturbina előállítási ára tehát nagyon nagy;
- nagyok a fordulatszámok (30...70 ezer percenként), emiatt különleges csapágyakat kell alkalmazni;
- a munkaturbina nagy fordulatszáma miatt nagy fogaskerék-áttételt kell alkalmazni;
- a kisebb sebességeken nincs hatásos motorfék;
- az indítómotor hibája esetén megtolással nem indítható;
- üzeme zajosabb, mint a dugattyús motoroké, bár ezt a hibát az utóbbi időben lényegesen csökkentették:
- nagy nyomással távoznak az égéstermékek (fölfelé irányítják a kipufogást);
- élettartama rövidebb, mint a dugattyús motoroké.
Sajnos, a hátrányok erősebbek az előnyökhöz képpest. Az első gázturbinás autót Chrysler építette 1963-ban. Más autógyárak is kísérleteztek a gázturbinával, főleg versenyautókhoz, nem sok sikerrel. Volt olyan próbálkozás, hogy a gázturbinával propellert hajtottak, amit az autó hátuljára szereltek, hogy tolja az autót:
A cél a sebességrekord megdöntése volt, ami sikerült is, de az igazi autósok ezt nem sokra becsülték: szárny nélüli repülőgépnek csúfolták.
Az utóbbi időben viszont új feladatot kapott a gázturbina: pici méretének köszönhetően akkutöltő dinamó hajtására bevált.
Külsőégésű aerosztatikus erőgépek
Az automobilizmus őskorában sokáig nem dőlt el, hogy a benzinmotor vagy a gőzmotor lesz-e a győztes. A múlt század elején úgy tűnt, a benzinmotor győzött. Néhány éve azonban megint felbukkantak kísérleti gőzmotorok, most már a mai technológiával a háttérben.
>
A gőzmotor a dugattyús gépen kívül sok kisegítő szerkezetet igényel (lásd jobb oldali ábrát is), többet, mint a belsőégésű motor: csőkígyós kazán, égő és fúvó, gyújtóberendezés, gőznyomás-, hőmérséklet- és mennyiségszabályozó, elzáró szelepek, indítómotor, tápszivattyú, kondenzátor, ventillátor, olajleválasztó stb.
A dugattyús gőzmotor kialakítása és elrendezése hasonlít a belsőégésű motorokéhoz, természetesen komplikált égéstér, gyújtógyertya stb. nélkül. A hengerek esetleg nem egyforma átmérőjűek: a gőzt először a kisebb (nagynyomású) hengerekbe vezetik, azután a nagyobb hengerekbe. A kazán legtöbbször 50...100 méteres csőből áll spirálba görbítve. A benne levő víz fél perc alatt gőzzé válik. A gőz nyomása eléri a 4-5 MPa-t, hőmérséklete a 300...400 °C-ot. Tüzelésre lényegében bármilyen folyékony tüzelőanyagot használhatunk. Az égés folytonos, egyenletesen erősödő vagy gyengülő, a gőzfogyasztástól függően. A kondenzátor autóhűtőhöz hasonlít, csak annál 2-3-szor nagyobb.
A gőzmotor fajlagos tömege nagyon nagy.
A kenésre - a magas hőmérséklet miatt - nagyon kényes. Fajlagos fogyasztása nagy. Termikus hatásfoka 15...30 %, között van. Nyomatéki karakterisztikája rendkívül előnyös. Mindkét forgásirányban működik. A kipufogó gázok összetétele kedvező.
Ma is kísérleteznek gőzmotorokkal. Érdemes megnézni néhány kísérleti példányt.
Az aerosztatikus külsőégésű erőgépek kategóriájába tartozik a hőlégmotor is, az ún. Stirling-motor. Szintén régen ismert elv felújítása. Az mutatja a Stirling-motor elvi felépítését és működését. Négy munkafázisa van (a dugattyúk útdiagramja idealizált!):
1. sűrítés a hideg térben, a két dugattyú között;
2. átömlés a meleg térbe;
3. expanzió;
4. visszaömlés a hideg térbe.
A visszaömlés során a következő folyamat játszódik le: az expandált, de még forró, sőt a kazán által az utolsó pillanatig melegített levegő a regenerátort (nagy hőkapacitású anyag, pl. korund vagy lítium-fluorid) fölmelegíti, a meleg nagy részét leadja, majd a maradék hőt a hűtő elvonja, s a levegő hidegen lép be a két dugattyú közé. Az összesűrített levegő átömlésekor először kicsit lehűl a hűtőn átáramolva, de a regenerátorban fölmelegszik a korábban otthagyott hő miatt. A kazánon áthaladva további hőt vesz fel, s így munkavégzésre alkalmassá válik.
Munkaközegként levegő helyett héliumot vagy hidŹrogént is használnak. A motor hatásfoka 30 % körül van.
Külsőégésű aerodinamikus erőgépek
A gőzmotor és a gőzturbina közötti különbség lényegében csak abban van, hogy a fejlesztett gőzt nem dugattyús gépben, hanem turbinában expandáltatjuk. Közúti járművekbe gőzturbinát eddig nem építettek be.
Villamos erőgépek
Külső áramforrás esetén (trolibusz) a járművön csak a villamos motor(-ok) és a szabályozó-(vezérlő-) berendezések vannak. Általában soros vagy vegyes gerjesztésű egyenáramú motorokat használnak. A vezérlés a következő műveletekre vonatkozik: indítás, sebességszabályozás, villamos fékezés és hátramenet.
A trolibusz nem alkalmas arra, hogy teljesen kiszorítsa a belsőégésű motorral hajtott járműveket (autóbuszokat), elsősorban a kötött pálya miatt, de a nagyon nagy üzemeltetési költségek (felsővezeték!) miatt sem.
Villamos autóval már régen kísérleteztek (jobb oldali kép), de hosszabb szünet után már megjelent a korszerű villamos autó is: 1 - 2 - 3.
A kötetlen pályát a saját áramforrás jelentené. Sajnos, ma még nem áll rendelkezésre olyan olcsó áramforrás, aminek a tömege is elviselhető lenne. A kísérletek a következő áramforrásokkal folynak:
- Akkumulátor. Kísérleteznek a hagyományos ólomakkumulátorral is, de más fémekkel is próbálkoznak (pl. ezüst-cink).
- Galvántelep. A legkülönbözőbb anyagokat próbálták ki elektródaként, ill. elektrolitként (kálium, kén, cink, levegő stb.), a legkülönbözőbb kombinációkban, de üzemszerű felhasználásra még egyik sem került.
- Tüzelőanyag-cella. Neve arra mutat, hogy oxidáció játszódik le benne, de olyan, amelyikben a felszabaduló energiának csak egy részéből lesz hő, nagyobbik részéből elektromos energia keletkezik (az elektromos vízbontás ellentéte). Legjobban a tiszta hidrogén tüzelőanyagú cellákat dolgozták ki. A kálium-hidroxid vizes oldatába két porózus szénelektróda merül, az egyikbe hidrogént, a másikba oxigént (levegőt) vezetnek be. Az elektrolitba jutó gázok bonyolult folyamat során vízzé egyesülnek, közben az elektródákon feszültség alakul ki. A valóságban igen sokféle elektródát és elektrolitet próbáltak ki, és jó elektrokémiai katalizátor után is kutatnak.
A hidrogén mellett szén, metilalkohol, hidrazni stb. "hideg égetésével" is próbálkoznak, sőt szénhidrogének (benzin) felhasználásával is. Az utóbbit közvetlenül anódosan még nem sikerült oxidálni, csak közvetve: előbb "reformálással" alkotórészeire kell bontani.
Ahogy említettük, villamos autót már száz évvel ezelőtt is építettek.
Az utóbbi évtizedben divatba jött a villamos motorok párosítása a belsőégésű motorokkal.
Igaz ez sem új elgonolás, amint azt a mellékelt ábra is mutatja.
Az ún. hibrid-hajtással a későbbi fejezetekben lesz szó.
Végül nézzük meg, hány féle hajtóanyag jöhet szóba!
2. A belsőégésű dugattyús motorok elvi felépítése
A gázmotorok legelterjedtebb típusa az olyan dugattyús motor, amelyben a dugattyú lineáris alternáló mozgást végez, s ezt a mozgást forgattyús mechanizmus alakítja át forgássá. A szerkezetnek meg kell oldania még a tüzelőanyagnak és a levegőnek a bejutását a hengerbe, majd a felhasznált égésterméknek, a kipufogó gáznak a kivezetését.
A motor működésének alapelveit (Otto-, Diesel-, kétütemű, négyütemű motorok) a korábbi tanulmányokból ismertnek tételezzük fel, csak emlékeztetőül mutatjuk be az egyhengerű és a V elrendezéső, négyütemű motor működését (1- szívás, 2 - sűrítés, 3 - expanzió, 4 - kipufogás), valamint egy V-motor munkaciklusait (kattintson a képekre!).
Tekintsük át röviden a jellegzetesebb motorkarakterisztikákat.
A belső karakterisztikák közül a legfontosabb az indikátordiagram, mely a hengerben lefolyó nyomásváltozást mutatja a főtengely-elfordulás (a) vagy a dugattyú-út (s), illetve a (relatív) térfogatváltozás (v/vc) függvényében.
Sokáig csak mechanikus szerkezettel tudtak indikátordiagramot rajzolni (jobb oldali ábra), ma már terészetesen elektronikus jeladó segítségével számítógép rajzol.
A baloldali ábrán a négy fő motortípus indikátordiagramját láthatjuk (az összehasonlíthatóság érdekében azonos méretű és léptékű diagramon).
A legfontosabb küső karakterisztikák a fordulatszám függvényében a baloldali ábrán a következők:
P = f (n) - teljesítmény M = f (n) - nyomaték b = f (n) - fajlagos fogyasztás
................
.......................
Mindhárom karakterisztika a teljes töltéshez tartozik, azaz a gázpedál teljes benyomásához.
Részterheléskor a görbék természetesen módosulnak, a középső ábra például a különböző gázpedálállásokhoz tartozó nyomatéki karakterisztikát mutatja.
A fajlagos fogyasztás részterheléskor már nem ábrázolható egyetlen görbével. Az ún. kagylódiagramon (jobboldali ábra) az azonos fajlagos fogyasztási területek vannak feltüntetve a pe mezőben. A szaggatott vonal a hozzá tartozó teljesítményeket mutatja.
A továbbiakban bemutatjuk a dugattyús motorok szerkezeti felépítésének alapvető típusait:
Az A ábra mutatja a legelterjedtebb típust, amit lehet akár benzin- akár dízelmotorként kialakítani. Legfőbb jellemzője, hogy a mind a szívást, mind a kipufogást szelepekkel oldja meg, ami teljes szabadságot ad a konstruktőrnek a szelepnyitás, -zárás időzítésének megválasztásához. A másik négyre (részben vagy egészben) a résvezérlés a jellemző, a B és a C dízel-, a D, az E és az F típus benzinmotorhoz való. Figyelje meg, hogy melyiknél szimmetrikus a különböző a szög, ami a töltetcsere szempontjából kedvezőtlen.
A nagy méretű motorok között készültek olyan kétdugattyús motorok, melyekben a dugattyúk egymással szemben dolgoztak:
Az égéstér kialakítása alapvetően attól függ, hogy benzin- vagy dízelmotorról van-e szó.
Benzinmotorok égésterénél a legfontosabb követelmény:
- a lángutak hossza rövid és egyenletes legyen;
- legyen örvénylés (az égés gyorsítása és a forró pontok hűtése végett);
- az égéstér felülete térfogatához képest minél kisebb legyen (hőveszteség csökkentése);
- bő keresztmetszetű belépő- és kilépőnyílások.
Az itt látható néhány égéstér közül a legrégebbi a Ricardo-égéstér (a), amely a fenti követelményeket általában nem elégíti ki. A b típus előnye, hogy az égéstér erősen ugyan, de egyenletesen hűtött. A d típusban a beömlő friss keverék a kipufogószelepet jól hűti. Az e típus közelíti meg legjobban a gömb alakot. Az ftípus résvezérléshez használatos, ahol a dugattyú taraja az áramlás iraínyítására szolgál.
A dízelmotor égéstere osztatlan vagy osztott kivitelben készül. Az utóbbi esetben a befecskendezés lehet közvetlen, de általában közvetett.
Az alábbi ábra osztatlan égéstereket mutat:
..............
A sűrítési viszony 14-24 között szokásos. A keverékképzést elősegíti, ha a tüzelőanyagot több sugárban és finoman porlasztjuk be, a levegőt pedig örvénylésre kényszerítjük.
Az örvénylés lehet hosszirányú (a henger hossztengelye körül spirál alakban) és keresztirányú (sugárirányú). Az előbbit a szívócsatorna irányával (érintőleges belépés), az utóbbit a dugattyútető alkalmas kiképzésével lehet előidézni.
Az osztott égéstérre is mutatunk példákat:
A felső sorban az ún. előkamrás típusok láthatók. Az előkamra térfogata a főégéstér 25-40 %-át teszi ki. A befecskendezés az előkamrába történik. A befecskendezett tüzelőanyag meggyullad, a hőmérséklet rohamosan emelkedik. A kialakuló nagy nyomás az előkamrából nagy sebességgel kipréseli a gázt, amely még sok elégetlen tüzelőanyagot tartalmaz. Ennek a keveréknek a hőmérséklete igen magas, s amint a főégéstérbe átlép, és ott friss levegővel találkozik, folyamatosan el is ég. Az átáramlás sebességét az átömlési keresztmetszettel tudjuk befolyásolni. A nagyobb sebesség jobb keveredést, s a tüzelőanyag-szemcsék további szétporlasztását eredményezi. Ez utóbbi következtében a befecskendezésnek nem kell olyan finomnak lennie, mint közvetlen befecskendezéskor, ezért egylyukú porlasztó is megfelel, ami sokkal kevésbé kényes, mint a több - apró - lyukú. Ugyanakkor a gáznak ide-oda való áramlása a nagy keresztmetszet-változások miatt egyrészt jelentős belső súrlódással jár, másrészt az égést elnyújtja. Az égés elhúzódását meg lehet előzni, ha a befecskendezést korábban kezdjük, de csak akkora adaggal, ami a gyújtáshoz éppen elegendő. Amikor a főadag befecskendezése megkezdődik, az előkamrában uralkodó hőmérséklet már elegendő a második lépcsőben befecskendezett tüzelőanyag gyors gyulladáshoz. Ezt a kétlépcsős befecskendezést többféleképpen meg lehet valósítani, legegyszerűbben csapos porlasztó fúvókával (lásd ott).
Az előkamra különleges vállfaja a ún. örvénykamra (d és e). A dugattyú által bepréselt levegő a kamrában örvényleni kezd, ami elősegíti a keverékképzést, emiatt a szűkítésnek nem kell olyan mértékűnek lennie, mint a hagyományos előkamráknál. A befecskendezés iránya nem közömbös. Az örvénylő levegővel szembe vagy rá keresztbe való befecskendezéskor az effektív középnyomás és a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás kedvezőtlenebb, a gyújtás viszont kedvezőbb, a motor könnyebben indul, lágyabban jár, mint akkor, ha a befecskendezés az örvénylés irányával megegyező. Speciális fúvókával (pl. Pinteaux, lásd ott!) két sugarat lehet előállítani: egy kisebbet az örvénylésre merőlegesen, egy nagyobbat az örvénylés irányába. (Kisebb fordulatszámon a gyújtósugár a másikhoz képest viszonylag megnő!)
Különleges osztott égéstér és közvetlen befecskendezés látható a f ábrán. Az ún. légkamra térfogata a főégéstér 5...20 %-a. A légkamra az égésfolyamat második felében jut szerephez: amíg a sűrítés, majd a befecskendezés tart, addig tiszta levegő préselődik a légkamrába. Az expanzió megkezdése után ez a levegő kiáramlik, s elősegíti az égés befejezését.
Az égésteret időnként meg kell nyitni a levegő vagy a keverék beengedése, illetve az égéstermékek kiengedése céljából. Erre általában szelepeket, ritkábban tolattyúkat alkalmaznak. Az utóbbi esetben a tolattyú szerepét legtöbbször maga a dugattyú tölti be: az ún. résvezérlés esetén a dugattyú palástja nyitja és zárja a be- és a kiömlőnyílásokat. Természetesen előfordul, hogy tolattyúként külön szerkezet szolgál, például forgótárcsa. Találkozhatunk a szelep- és a résvezérlés kombinációjával is.
A szelepelrendezés alapvető jellegzetességét a szelepnek viszonylagos helyzete és a vezérlés módja adja. Kezdetben oldalszelepeket alkalmaztak alul elhelyezett bütykös tengelyes vezérléssel (SV: side valve). A korszerű motorok felül szelepeltek. A vezérlés itt is történhet alul (OHV: overhead valve), vagy felül elhelyezett (OHC: overhead camshaft) bütykös tengellyel. A felül szelepelt motoron a felül elhelyezett bütykös tengely természetesen nemcsak közvetlenül, hanem egy- vagy kétkarú emelőn keresztül is mozgathatja a szelepeket. A bütykös tengely általában rugóerő ellenében nyitja a szelepeket.
Az igen nagy fordulatszámú versenymotorokon a szelepzárást sem lehet rugóra bízni, ilyenkor a zárást is kényszervezérléssel oldják meg:
A bütykös tengelyt a motorfőtengely hajtja. Alsó vezérlés esetén a főtengely és a bütykös tengely között homlokfogaskerekek vannak (a), amelyek egyúttal a szükséges áttételt is nyújtják. Ha a távolság a két tengely között túl nagy, akkor lánchajtást (fogazott ékszíjhajtást) (b), vagy ún. királytengelyes hajtást (c) alkalmaznak.
A motor teljesítménynövelésének legtermészetesebb módja a hengerűrtartalom növelése vagy a hengerek számának a szaporítása. Az előbbi mód jobb fajlagos mutatókat eredményez a teljesítmény, a fogyasztás stb. vonatkozásában, az utóbbi viszont a tömegerők kiegyensúlyozottságát, a motor járásának egyenletességét stb. javítja. Gépjárműmotoroknál egyértelműen a második módszert választják. A hengerek számának szaporítása a forgattyús tengely meghosszabbításával jár.
Ha minden forgattyúhoz csak egy hajtórúd csatlakozik, akkor a forgattyúk száma megegyezik a hengerek számával. A forgattyúk elrendezésére, ill. a forgattyús tengely kialakítására a tíz példát láthatunk:
A páratlan számú hengerek esetét kivéve, mindegyik hengerszámhoz két-két forgattyústengely-elrendezés látható. Annak elbírálásához, hogy melyik elrendezés milyen esetben alkalmas, olyan problémákat kell tisztázni, mint a gyújtási sorrend, a tömegkiegyenlítés módja és mértéke, függően attól, hogy két- vagy négyütemű motorról van-e szó stb.
A problémát szaporítja, ha a hengereket nem egy sorban helyezzük el, hanem két sorban, például minden második forgattyú tartozik az egyik sorhoz, vagy minden forgattyúhoz két hajtórúd csatlakozik. A két hengersor egymással szöget zár be (V motor). A gyakorlatban előforduló szögállások bal oldalon láthatók:.
A 180 fokos V-motort gyakran összetévesztik az un. " boxer-motorral", amire az jellemző, hogy - a V-motorral ellentétben - egy-egy hajtórúd csatlakozik minden forgattyúhoz, de a szomszédos hengerek 180 fokkal el vannak forgatva.
Mozgásukra az jellemző, hogy hol közelednek egymáshoz, hol távolodnak.
Az alsó ábrán két-, négy- és hathengerű boxermotor látható. Mindegyikre jellemző, hogy az egymással "szemben lévő" dugattyúk - érthető okokból - nem egészen szemben vannak egymással, ami különleges tömegerők, helyesebben "tömegnyomatékok" fellépését idézi elő a két- és a hathengerű motorokban (a négyhengerűben ennek kisebb a jelentősége).
A tömegerők kiegyensúlyozása egyébként - különösen kis hengerszám esetén - a többi motor esetében is számottevő problémát,jelenthet. A forgó tömegerők a tömegekkel ellentétes oldalra helyezett ellensúlyokkal teljesen kiegyenlíthetők (a). Az ide-oda mozgó tömegerők viszont (a hajtórúd "ostorozása" miatt) egyszerű eszközökkel nem egyensúlyozhatók ki. Az ellensúly növelésével egy darabig javul a helyzet, de az optimálisnál nagyobb ellensúly megint káros. Két ellensúllyal nemcsak a forgó tömegerők, hanem az elsőrendű alternáló tömegerők is kiegyensúlyozhatók (b). Két hajtórúd esetén könnyű a kiegyensúlyozás (c). Különleges célú (pl. égéstér-kísérleti, vagy oktánszám-vizsgáló) motorok esetén komplikált megoldással még a másodrendűek és a billentő nyomatékok is kiegyensúlyozhatók (jobb alsó ábra).
Többhengerű motorok tömegkiegyenlítése általában könnyebb, mert a mozgó tömegek egymással szemben (is) fejtenek ki tömegerőt. Hathengerű vagy annál nagyobb motorokban, különösen V-motorokban a tömegerők nem szoktak problémát okozni.
A feltalálók évtizedekig próbálkoztak olyan térfogat-kiszorításos motor tervezésével, amelyben lineáris alternáló mozgás helyett körmozgás van, akár alternáló, akár folyamatos.
A számtalan próbálkozás közül egyedül a Wankel-motoraz, ami viszonylag elterjedt (nyisson teljes ablakot!).
Itt a dugattyú tulajdonképpen belső fogazású bolygókerék, aminek a külső kerületét nem kör alakúra, hanem körívekből álló háromszög alakúra készítették, aminek az átmérője bárhol mérve ugyanakkora (álkör). A forgattyúkart forgatva a fogas koszorú ("dugattyú") cikloisokat ír le.
A dugattyú által "lesepert" terület közel piskóta alakú. Ezt a területet palásttal körülkerítve kapjuk a munkateret.
A motort működés közben is megnézheti.
Természetesen nagyon sok más próbákozás is volt (van, lesz) a lineárisan alternáló motorok kiszorítására - egyelőre sikertelenül. Ezek küzül nézzünk meg egyforgódugattyús motort, egy körmotort, egy másikkörmotort, egy forgómotort, egy másik forgómotort, valamint egy gömbmotort.
MOTOR
Motortömb
A dugattyús motorok fő tömegét, az egész motor házát, ill. vázát a hengertömb, s a hozzá csatlakozó hengerfej, illetve teknő (karter) adja. A többi alkatrész zöme ezekhez van hozzáerősítve, illetve ezekbe van beépítve.
A bal oldali ábrán egy oldalt szelepelt, vízhűtéses soros motor hengertömbje látható. A hengertömb fölött - egy tömítés közbeiktatásával - a hengerfej helyezkedik el. A hengertömb alsó részét a teknő (karterház) zárja.
A jobb oldali ábra felülszelepelt, alulvezérelt elrendezést mutat. További eltérés az előzőhöz képest abban van, hogy a henger nem egy darabból készül a hengertömbbel, hanem külön kell beleszerelni ("nedves" persely). Az alsó ábra V-motort mutat, amelyik már felülszelepelt és felülvezérelt A mellette lévő ábrán látható léghűtéses boxermotoron a hengerek szintén különálló darabok.
A henger és a hengertömb általában egy alkatrész, de külön alkatrészként is készülhet. Az egybeépülésnek érdekes kivitelét mutatja a jobb oldali kép (aminek a fényképe az oldal tetején látható). Az alábbi ábrán többféle megoldás látható. Az első négy megoldásban a henger még egy darabból van a hengertömbbel, de az első kivételével perselyezve vannak
Ennek oka az, hogy a hengertömb anyaga (öntöttvas, ill. acél, de különösen az öntött alumínium) nem mindenben fele! meg a henger felületét érő, igen nagy igénybevételeknek (siklási tulajdonságok, élettartam, hőhatás stb.)
A perselyeket mindhárom esetben elég szoros illesztéssel kell besajtolni a helyükre, hogy a hővezetés jó legyen.
A hővezetés szempontjából sokkal kedvezőbb az utolsó két megoldás, ahol az ún. száraz perselyek helyett "nedves" perselyeket alkalmaznak.
Előnyük, hogy a hő rövid úton tud átmenni a hűtőfolyadékba. Itt természetesen tömítési problémákat is meg kell oldani (lásd alul).
Már gyártottak olyan motorblokkot is, ami nek a belseje hagyományos anyagból készült, s arra öntötték rá a külső köpenyt aluminiumból.
Léghűtéses motorokon - érthető okokból - minden egyes henger önálló alkatrész. Az itt bemutatott négy megoldásból háromra a hűtőbordákat utólag rakták fel, természetesen más anyagból, mint amiből a persely készül.
A henger és a hengerfej közé tömítést kell, amely hosszú ideig kibír nagy hőmérsékletet, és elég elasztikus ahhoz, hogy a megmunkálási egyenetlenségeket (pl. a megmunkált felületeken maradó századmilliméteres nagyságrendű barázdákat) kitöltse. Legegyszerűbb a két-három milliméter vastagságú alumínium vagy vörösréz lemezből kivágott tömítés.
Néha több vékony lemezt helyeznek egymás fölé, s a kivágásoknál az alsó lemezt fölperemezik.
A tiszta fémtömítés előnye az olcsóság, hátránya, hogy csak ott lehet alkalmazni, ahol a hengertömb, ill. a hengerfej elég robusztus ahhoz, hogy a leszorító csavarokat jól meg lehessen húzni. Inkább csak dízeleken alkalmazzák. Természetesen minden ilyen tömítést csak egyszer lehet használni. Ha a csavarokat valamilyen okból akárcsak meglazítják, az egyszer már megnyomott lemezeket el kell dobni a mikrobarázdák miatt.
Drágább, de többször használható, s lényegesen kisebb leszorító erővel is jól tömít az "azbesztbetétes" tömítés (alsó ábrák).
Ezek vékony réz-, esetleg alumínium lemezek közé tett grafitos szervetlen rostból állnak, amit különleges gumi vagy más hőálló kötőanyaggal is megszilárdítanak. Bal oldalt többféle tömítés keresztmetszete látható. Az utóbbi időben az acél-elasztomer- és a többrétegű fémtömítéseket alkalmazzák.
Nedves perselyekhez az összefüggő lemeztömítés helyett puha fémből készült gyűrűtömítést alkalmaznak, minden egyes hengerhez külön-külön.
Természetesen ezeket is csak egyszer szabad összepréselni. A jobb oldali ábra két megoldást mutat.
Dugattyú
Dugattyú
A dugattyú feladata a gáznyomást koncentrált erőként továbbadni a hajtórúdnak. Feladatát csak akkor tudja jól ellátni, ha a gáz elszökését meggátolja (tömít), ha a kapott hőt leadja és ha nem túl sok energiát emészt fel súrlódással.
Sokáig öntöttvasból készült, ma már inkább könnyűfémből. A nagy fordulatszámú motorokhoz az utóbbi időben melegen kovácsolt dugattyúkat gyártanak. A gyártás az egyes fázisai itt láthatók:
Egy készre megmunkált dugattyú képe legfelül látható.
Alul egy benzin- és egy dízelmotor hagyományos dugattyúja látható.
.....
A csapszegfurat körül koncentrálódik az erőátadás, ezért itt külön merevítésről kell gondoskodni. A dugattyúpalást alsó részén látható felhasítás a hőtágulás okozta beszorulás elkerülését hivatott szolgálni.
A hőtágulás káros következményeinek elkerülésére más módok is vannak. A ,jobban felme!egedő felső részt például kisebb átmérővel készítik, vagy a csapszegfurat környékének nagyobb tágulása miatt a dugattyút körkeresztmetszet helyett oválisra készítik, vagy a csapszegfurat környékét leoldalazzák.
A hőtágulást mérsékelni lehet kis tágulású acélbetétek (invarbetétek) alkalmazásával (jobb oldali ábra).
A tömítés céljára dugattyúgyűrűket alkalmaznak, ezek különleges fajtája az olajlehúzó gyűrű, amit minden olyan motoron alkalmazni kell, ahol olajfilm képződhet a hengerfalon (gyakorlatilag csak a keverékolajozású kétütemű motorokon nincs olajlehúzó (olajáteresztő) gyűrű.
A gyűrűk száma és elhelyezése függ attól is, hogy benzin- vagy dízelmotorról van-e szó. Az első kompressziógyűrű ("tűzgyűrű") dízelen távolabb van a tetőtől, mint a benzinmotoron, a kompressziógyűrűk száma is több, olajlehúzóból is legtöbbször kettőt alkalmaznak. A kétfajta motor dugattyúját egyébként abból is meg lehet különböztetni, hogy a dízelé robusztusabb, vastagabb tetejű, inkább hosszúkásabb, mint az benzinmotoré, azonkívül legtöbbször a tető kialakítása is jellemző az égéstér alakja miatt.
Különösen dízeleken jelenthet nagy veszélyt a felső kompressziógyűrűkre a nagyobb hőmérséklet és a szúróláng. Az utóbbi ellen úgy is lehet védekezni, hogy a dugattyú és a henger közötti hézagot szűkítjük, de ilyenkor gondoskodni kell a fokozott berágódási veszély ellensúlyozásáról.
A bal oldali ábra első variációjánál látható finom hornyolás egyrészt labirinttömítés-szerűen visszatartja a szúrólángot, másrészt csökkenti a berágódási veszélyt. A többi variáció inkább a dugattyú felől jövő hőátadástól kíméli a felső kompressziógyűrűket, azzal a további előnnyel, hogy a gyűrűhorony így kevésbé kopik.
A kompressziógyűrű kialakítására is láthatunk néhány példát jobb oldalon. A legfelső a legegyszerűbb, legolcsóbb megoldás. A b és a c profil azért kedvező, mert nagyon gyorsan bejáródik, hátránya, hogy kisebb felületen ad át hőt a hengerfalnak és az utóbbi néha berezeg. A trapéz-keresztmetszet (e, f) a besülés szempontjából kedvezőbb.
Beszögelléssel csökkenteni lehet azt a felületet, amivel a gyűrű a hengerfallal érintkezik (d), ez nagyobb felületi nyomást, gyorsabb bejáródást, jobb tömítést és bizonyos olajlehúzó hatást is eredményez.
Élettartam-növelés céljából használják a foszfor-, ill. ólom-, bronz- vagy molibdénbetétes gyűrűket, esetleg krómfelrakást alkalmaznak (g, h, i).
A gyűrűt természetesen föl kell metszetni, egyrészt azért, hogy a helyére bepattinthassuk, másrészt, hogy megfelelő radiális rugalmassága legyen.
Az olajlehúzó gyűrűket szintén nagy választékban gyártják (bal oldali ábrák). Már a kompressziógyűrűknél is találtunk olyat, ami olajlehúzóként is használható (c és d változata), feltéve, hogy az olaj elvezetéséről gondoskodunk. Kettős olajlehúzó éle van a d típusnak.
Hajtókar
A hajtórúd (nem hajtókar, azaz nem "kurbli"!) feladata az erő átvitele a dugattyúról a forgattyús tengelyre. A kiegyensúlyozás szempontjából kényes alkatrész, ezért a lehető legkisebb tönegűre kell készíteni.
Általában kovácsolt vasból, acélöntvényből, különleges motorokhoz speciális aluminium ötvözetből készítik.
Általában két részből áll, amit a forgattyús tengely csapjához való csatlakozás tesz szükségessé.
A forgattyús tengelyhez - az osztás miatt - a csapágypersely is két részből áll. Hogy ezek ne fordulhassanak el, mindkét félen egy kis darabot a sarkában kihajlítanak, aminek természetesen helyet marnak ki a hajtórúdban.
A dugattyúcsapszeghez általában szilárdan beépített, egy darabból készített siklócsapággyal kapcsolódik.
Itt gondot kell fordítani arra, hogy a - nagyon kemény, edzett acélból készített - csapszeg ne érintkezhessen a henger falával, mert azt gyorsan tönkre tenné. Az első ábrán gyűrű tartja a helyén a csapszeget, a másodikon két dugó. Természetesen a dugókat puha fémből készítik. Nem kell félni elmozdulástól akkor, ha - kissé elavult módszerrel - a csapszeget hozzáerősítik a hajtórúdhoz vagy a dugattyúhoz.
Érdekes újítást vezetett be az egyik autógyár: a rúd felső végét ferdén levágta, amihez természetesen a dugattyú húsát is hozzáillesztették. Az eredmény: nagyobb felület áll rendelkezésre a gázerők átvételére.
Egyébként a siklócsapágy mellett görgős csapágyazással is találkozhatunk.
Abban az esetben, ha a hajtórúd alsó vége túl széles, és emiatt nem lehet a hengeren keresztülhúzni, akkor célszerű ferdén osztani. Ennek akkor van jelentősége, amikor például dugattyú-gyűrű csere miatt a dugattyút ki kell húzni (nem kell a forgattyús tengelyt kiszerelni).
A V-motorhoz természetesen különleges hajtórúdra van szükség.
Többféle kialakítás közül itt most csak kettőt mutatunk be. Az egyik - elterjedtebb - kivitelt az jellemzi, hogy van egy hagyományosan működő fő-hajtórúd, és egy kissé "szabálytalankodó" mellék-hajtórúd.
A szabálytalankodáson azt kell érteni, hogy a hozzá tartozó dugattyú kinematikailag különlegesen viselkedik. Míg a fő-hajtórúd alsó vége körpályán mozog, addig a segédhajtómű alsó vége körpályától eltérő úton fut.
A másik ábrán látható kivitelt az jellemzi, hogy mind a két hajtórúd fő-hajtórúd (egymásba ágyazva), s mindkettő közvetlenül a forgattyú-csaphoz illeszkedik.
A hajtórúd gyártásáról szólva meg kell említeni, hogy ma már több autógyár azt egy darabból készíti - de aztán eltöri.
Ennek az eljárásnak kettős előnye van: egyrészt olcsóbb, másrészt önmagától gondoskodik arról, hogy mindig csak egyformán lehet összeszerelni.
Míg a bal oldali ábrán két kis csap gondoskodik arról, hogy összeszereléskor mindíg pontosan a helyére kerüljön az alsó rész, addig a jobb oldalon látható hajtórud esetében a szabálytalan, tört felület gondoskodik a pontos illeszkedésről.
Forgattyústengely
A forgattyústengely funkcióját tekintve főtengely. A motor legjobban igénybe vett alkatrésze. Kovácsolt acélból vagy öntöttvasból készül.
A forgattyúcsapok száma megegyezik a hengerek számával, kivéve a V-motorokat, ahol fele a hengerek számának. A forgattyústengelynek a motortömbben való csapágyazásakor ügyelni kell arra, hogy a csapágyak közül egy tengelyirányban is adjon megfogást. A csapágyazások számának a növelése a főtengely igénybevétele szempontjából előnyös, de drágítja a gyártást. Általában kielégítő, ha minden második henger után van csapágy (első ábra), de nagyobb terhelés esetén minden henger közé csapágyat kell betenni (második ábra). A forgattyúcsapok olajozására is gondolni kell. Általában a motorblokkból a főcsapágyon keresztül jut be az olaj a főtengelybe, s annak belsejében furatok segítségével megy el a forgattyúcsapokhoz. A vékony furatok helyett néha nagyobb üregeket alakítanak ki (harmadik ábra).
A főtengely kiegyensúlyozására ellensúlyok szolgálnak. Ezeket vagy magából a főtengelyből alakítják ki, vagy - nagyobb méretű ellensúly igénye esetén - utólag szerelik fel.
Általában a főtengely tartozékának tekintjük a lendítőkereket is, bár az egyúttal a főtengelykapcsolónak is egyik legfontosabb alkatrésze szokott lenni (részletesebben lásd ott!).
A motorban ébredő torziós lengések néha olyan jelentősek lehetnek, hogy lengéscsillapító beépítése válik szükségessé. A lengéscsillapítót vagy a főtengelykapcsolóba építik be (lásd ott), vagy a főtengely szabad végére szerelik.
A jobb oldali ábra mutatja a főtengelynek, mint lengőrendszernek a modelljét. A lengéscsillapítót a főtengely lendítőkerékkel ellentétes végére szereljük.
Többfajta lengéscsillapító ismeretes.
Szerkezetileg a legegyszerűbb a szilikonos lengéscsillapító: zárt térben egy szabadon forgó, gyűrű alakú tömeg van, amit sűrű szilikonolaj-réteg (zöld szín) vesz körül.
Mivel ezt a tömeget a torziós lengésben levő főtengely csak folyadéksúrlódással tudja magával rángatni, az mindig lemaradva követi az ide-oda lengő főtengelyt.
A (folyadék)súrlódás a lengési energiát emészti.
A lengéscsillapítás lefolyását jellemzi a diagram, ahol a lengési szögkitérés ("amplitúdó") változása látható a fordulatszám fügvényében.
Az 1görbe arra az - elvi - esetre vonatkozik, amikor a tömeg "beragad" a házba (berozsdásodik), azaz mereven együtt mozog a főtengellyel. Ilyenkor n2 fordulatszámnál jelentkezik a maximális amplitudó.
A 2görbe azt az esetet jellemezné, ha kifelejtették volna a csillapító tömegre beszerelni: a rendszer kisebb tömege miatt a nagyobb fordulatszámnál (n4) alakulna a csúcs.
A 3 görbe a szabályos működést mutatja.
Vannak olyan lengéscsillapítók, amelyekben a csillapító tömeget nem folyadéksúrlódással, hanem száraz súrlódással viszi magával a főtengely. A surlódóbetéttel ellátott tárcsához két oldalról rugók szorítanak oda egy-egy tömeget.
Ilyenkor a csillapító tömeg kisebb lengésgyorsuláskor valóban "beragad", együtt leng a főtengellyel, s csak meghatározott fordulatszám (n1) fölött válik le (4 görbe). Könnyen belátható, hogy a leválás környékén olyan viszonyok alakulhatnak ki, amikor a csillapító gyűrű egy perióduson belül is váltakozva hol beragad, hol leválik.
A szilikonos és a száraz súrlódásos lengéscsillapító tulajdonságait részben egyesíti magában a gumis (bevulkanizált - kék - betét) lengéscsillapító (jobb oldali ábra), azzal kiegészítve, hogy saját maga is önálló lengőrendszer, saját frekvenciával, ezért az összehangolás nagyon kényes feladat.
A lengéscsillapítók a már kialakulóban levő lengést csillapítják úgy, hogy az energiáját fölemésztik. Ezt az energiát lényegében a morotortól vesszük el.
Sokkal gazdaságosabb az az eljárás, amikor a lengés kialakulását akadályozzuk meg, ún.lengésfojtó segítségével. Az ingás lengésfojtó széles frekvenciatartományban képes megakadályozni a lengések kifejődését.
Az utóbbi időben viszont teret nyertek a kéttömegű lendkerekek, melyek hatásosan csökkentik a motorból a sebváltóba jutó torziós lengéseket, növelve a hajtásláncban résztvevő fogaskerekek élettartamát, csökkentve a gerjesztett zajok szintjét.
Szelepek
A szelepek elsősorban hőigénybevételnek vannak kitéve, különösen a kipufogószelep, amely 600--800 °C-ra is felhevülhet. Ausztenites króm-nikkelacélból készülnek, előkovácsolással.
A szelepcsoport főbb alkatrészei (bal oldali ábra): szelep (szeleptányér és szelepszár), szelepülés, szelepvezető, vagy egyenesvezető, rugótányér és szeleprugó. A szeleptányért rögzítő kúpos gyűrű azért kétszínű, mert a gyűrű kétfelé van vágva. A szeleptányér kiszerelése két lépésben történik: először a rugó ellenében lefelé kell nyomni, hogy a rögzítő gyűrűket ki lehessen venni.
A mellette lévő ábra korábban elterjedten alkalmazott szeleptányér-kialakításokat mutat. A befúrás vagy a bevágás a szelepbecsiszolás szerszámához kell. (Pasztával bekenik a szelepülést, majd beejtik a szelepet a helyére, de előbb egy olyan rugót húznak a szárára, ami kissé kiemelten tartja a szelepet. Egy csavarhúzóhoz hasonló szerszámmal a szelepet rányomják az ülésre, és ott ide-oda forgatják. Időnként azonban a szerszámot felemelik, a szelep is felemelkedik, majd folytatják a csiszolást. A felemelésre azért van szükség, hogy a csiszoló szemcsék ne mindig ugyanott mozogjanak, mert akkor mély rovátkákat húznának a sima felület helyett.
Nagy fajlagos teljesítményű motorokon üreges szelepeket alkalmaznak ( ábra). Az üreget félig megtöltik nátriumsókkal, amelyek jó hővezetők, s föl-le csapódva "szállítják" a hőt a melegebb helyről a hűvösebbre.
Lent a rugótányér felerősítésére láthatunk két példát.
A szelepek működtetése általában kényszernyitású és rugós zarású.
A nyitást a vezérmű tengelyén levő bütykök végzik, több-kevesebb mechanizmus közbeiktatásával. Semmi közbeeső mechanizmusra nincs szükség, ha a bütyköstengely a szelep felett halad el, s bütyök közvetlenül a rugótányért nyomja (jobb oldali ábra).
Itt érdekesen van kialakítva a rugótányér: két részből áll, s kialakításuk olyan, hogy a szelephézag állítását is ott lehet elvégezni. (A zöld alkatrész kissé elnyomjuk a rugó ellenébe, majd a kék tányért csavarjuk, így annak teteje sülyeszthető vagy enelhető. A helyes hézag beállítása után elengedjük a zöld alkatrészt, s annak recézettsége megakadályozza, hogy a szeleptányér elforduljon.)
A szeleptányért gyakran úgy alakítják ki, hogy a benne vévő szerkezet a szelepet lassan forgatja, így a szelepzárás biztonságos marad. A kék tárcsában lévő golyócskákat egy erős tányérrugó ferde pályához szorítja. Löket végzése közben a ferde pálya elfordulásra kényszeríti a kék tárcsát, s vele együtt a szelepet. A löket végén a golyócskát a kis rugó visszatolja a ferde pálya végéhez.
Egyszerű rugótányér és vékony szelepszár esetén egyenesvezetőre van szükség, hogy a bütyök ostorozó hatása ne akarja elgörbíteni a szelepszárat. Az egyenesvezető lehet hengeres vagy (egykarú) himbás. A himba (kétkarú) elkerülhetetlen, ha felül szelepeit, alulvezérelt motorról van szó. Itt a h szelephézag állítási lehetősége is látható.
De lehetőség van a szelephézagállításra a lökőtalpnál is. Az alábbi ábrán két típusa látható a lökőtalpnak: síktalpú és görgős. A síktalpunál gondoskodni kell arról, hogy a bütyök ne egy helyen koptassa a talpat, ezért a bütyök kissé el van tolva a középvonaltól: a lökőtalp lassan forog. A lökőtalp forgását természetesen nem lehet megengedni, ha a bütyök görgőn keresztül löki meg a lökőtalpat. Nagyobb motorokon, ha négy szelep van hengerenként, akkor két-két szelepet egy közös himba vezérel (jobb oldali ábra).
Nincs szükség szelephézagra, illetve szelephézag-állításra hidraulikus lökőtalp (automatikus utánállító) esetén:
A szelep és a bütyök közötti h távolságot mindig hézagmentesen kitölti a piros és a sárgaalkatrészből álló szerkezet, mert közöttük - az A térben - a motor járása közben mindig nyomás alatt van az olaj, ami szétfeszíti őket. Amikor a bütyök tolja lefelé a szelepet, az A térből csak olyan minimális mennyiségű olaj tud a fojtáson keresztül kifolyni, hogy az nem befolyásolja a működést. A fojtófurat (valójában a piros és a sárga alkatrész viszonylag laza illesztése!) arra szolgál, hogy amikor a hőingadozások (tágulások, összehúzódások) miatt a h távolság lassan változik, az A tér akkor is tele legyen olajjal. A piros szelepgolyó akkor játszik szerepet, amikor az A térből - például hosszú állás miatt - az olaj egy része kicsurog. Induláskor (az olajnyomás megjelenésekor) a golyón keresztül pillanatok alatt bejut a szükséges mennyiségű olaj.
Az igen nagy fordulatszámú motorokon a zárást is kényszervezérléssel kell megoldani, mert csak túl erős rugó lenne csak képes nagyon rövid idő alatt felrántani a szelepet.
Erre mutat egy példát a jobb oldali ábra. Itt, mint látható, a szeleptányér pereme és a ház között minimális kotyogási lehetőség van, ami lehetővé teszi, hogy a szelep biztosan zárjon. Működését egy film mutatja.
A bütyökprofil kialakításakor figyelembe kell venni a lökőtalp (egyenesvezető) és a bütyök érintkezési módját. A pirosvonal mutatja a síktalpú egyenesvezetőhöz tartozó függőleges elmozdulást (szelepemelkedést), a kék görbe pedig a görgős csatlakozásét. A teljesség érdekében berajzoltuk a szelepemelkedést arra az - elméleti - esetre (zöld vonal), amikor az egyenesvezető egy egyszerű egyenes vonal.
A bütyökgörbének olyannak kell lennie, hogy az előírt nyitvatartási szög alatt a lehető legnagyobb legyen az időkeresztmetszet. A bütyökgörbe szerkesztésekor abból kell kiindulni, hogy mekkora indulási sebességet, gyorsulást és elmozdulást akarunk megvalósítani.
A jobb oldali ábrán láthatjuk az összes alkatrész-fajtát, ami a szelepekhez, a szelepvezérléshez tartozik.
Az utóbbi időben a mechanikus flexibilitás növelésének a szellemében nagy gondot fordítanak arra is, hogy a szelepek nyitása, zárása, nyitvatartási ideje stb. állandóan alkalmazkodjon az üzemi viszonyokhoz.
A bal oldali ábra mutat egy példát arra, hogy hogyan lehet a szívó és a kipufogó szelepek működtetését menet közben folyamatosan egymáshoz képest változtatni: a két bütyköstengelyt összekötő lánc behajlásának változatásával (a tengelyek között lévő láncvezető függőleges mozgatásával) a két tengely egymáshoz viszonyított szögállása változik.
De vannak olyan szerkezetek, melyek folyamatosan tudják változtatni a szelepnyitás mértékét (bal oldali kattintás), vagy automatikusan állítják a szelepnyitás kezdetét és mértékét stb. (jobb oldali kattintás). És kísérleteznek forgó szelepekkel is.
Gyártsunk le egy motort - Szereljünk össze egy motort
Dízel motorok keverékkpézése
A dízelmotok égésterébe igen nagy nyomással kell a tüzelőanyagot - általában gázolajat - befecskendezni.
A klasszikus befecskendező (adagoló) szívattyúk finom illesztésú acéldugattyúkkal hozták létre a szökséges nyomást, ami elérheti vagy felülmúlhatja a 100 MPa-t.
Az egy löketre beadagolt mennyiség vezérlésére többféle módszert alkalmaztak, legeltejedtebben a fojtást, illetve a résvezérlést használták (a két bal oldali ábra), az előbbit főleg a "disztribútoros", az utóbbit a hengerenkénti (soros) adagolóelemeket tartalmazó szivattyúknál. A soros adagoló klasszikus kivitele látható a jobb oldali ábrán.
Külön ábra mutatja a a fogasléces mechanizmust, amivel el lehet forgatni az adagolódugattyút a "dózis" változtatása érdekében.
A fogasléc természetesen a gázpedállal van összeköttetésben különböző rudazatok segítségével. A fogaslécet azonban nem csak a gépkocsivezető akaratának megfelelően kell mozgatni - az adagot növelni vagy csökkenteni -, hanem két fontos üzemállapot biztonságos beállítása céljából is.
Az egyik az alapjárat szabályozása, a másik a maximális motorfordulatszám behatárolása. Mindkettő a motor fordulatszámával van kapcsolatban. A motor fordulatszámát többféleképpen lehet érzékelni, legelterjedtebb szerkezet a centrifugális regulátor.
A gázpedál és a fogasléc közé egy olyan kiegyenlítő mechanizmus van beépítve, ami lehetővé teszi a a fogasléc mozgatását a motorfordulatszámtól függően is. A sokféle megoldás közül itt az excenterest mutatjuk be: a pedállal az excenter nagyátmérőjű csapját toljuk előre vagy hátra, a centrifugális regulátor viszont e csap körül tudja kétkarú emelő segítségével mozgatni a fogaslécet.
Ahhoz, hogy a regulátor mind az alapjárat-szabályozást, mind a maximális fordulatszám-határolást meg tudja oldani, a röpsúlyhoz két rugót kell beépíteni (jobb oldali ábra). Az egyik - a külső - lehetőleg nagy keménységű legyen kis előfeszítéssel, a másik ellenkezőleg, lágy karakterisztikájú, de nagyon nagy előfeszítettséggel.
Amikor a motort beindítjuk, a röpsúly már viszonylag kis fordulatszámon (a diagramon n1-nél) elindul, kezdi összenyomni a külső rugót, s ezzel a fogaslécet visszafelé húzni, vagyis csökkenteni a a befecskendezett adagot.
Ezzel egyidejűleg természetesen csökken a h hézag. Ha a fordulatszám tovább nő, a h hézag - ami a diagramon s2 szint - hamarosan (n2 fordulatszámnál) eltűnik. Ezután viszont a fordulatszámnak nagyon meg kell nőnie (egészen n3 - ig) ahhoz, hogy az erősen előfeszített belső rugó ellenében a centrifugális erő a rugótányért felemelje, s a röpsúly tovább tudjon kifelé haladni (az s nőjjön). Nyilvánvalóan a szerkezet úgy van méretezve, hogy ez a fordulatszám a megengedett maximális fordulatszám, vagyis a motor ennél gyorsabban nem tud forogni, hiába nyomja a gépkocsivezető akár tövig is gázpedált, a röpsúly a fogaslécet visszahúzza.
Visszatérve az alapjárathoz tudni kell, hogy a magára hagyott gázpedált úgy kell felütköztetni (egy csavarral beállítani), hogy a röpsúly nagyjából a h távolság feléig emelkedjen fel (ez a diagramon az nx - sxpont). Ez felel meg a motor alapjárati fordulatszámának. Ha a motor fordulatszáma valami miatt meg akar változni - például kezd bemelegedni, ezért csökken a belső surlódása, a fordulatszáma kezd nőni -, akkor a röpsúly is kezd mozogni, kezd kifelé haladni, íly módon kezdi a fogaslécet visszahúzni. Vagyis akármennyire melegszik fel a motor, a fordulatszáma csak minimális mértékben nő meg.
A diagramon az a és a b szög, vagyis a vonalak meredeksége a rugók keménységét érzékelteti.
Korábban volt arról szó, hogy az adagoló természetes karakterisztikája (az adag változása a fordulatszám függvényében) nem vízszintes: növekvő fordulatszámhoz lassan növekvő mennyiség tartozik. Ez a motornak nem tetszik: minél gyorsabban forog, annál kevesebb idő jut az égésre. Ha a maximális fordulatszámhoz tartozó töltést az adagolón úgy állítják be, hogy az optimális legyen, akkor lassúbb fordulaton kisebb lesz az adag annál, amit a motor el tudna égetni, vagyis nem használjuk ki a motor teljesítményét. Ha kis fordulatszámhoz illesztjük az optimális adagot, akkor a felpörgő motor a túladagolás miatt füstölni kezd. A megoldás az un. korrektorrugó, ami legtöbbször egy lapos csillagrugó (a rajzon kék színű). Ennek a rugónak köszönhetően a h távolság megtétele után nem áll meg a röpsuly, hanem tovább halad kifelé a fordulatszám növekedése esetén, a haladása azonban nagyon "lassú" a tányérrugó nagyfokú keménysége miatt. Az eredmény az alsó diagramon látható: a teljes üzemi tartományban mozog - igaz, nagyon óvatosan - a fogasléc.
Az adagoló által küldött tüzelőanyagot be kell fecskendezni a munkahengerbe. A porlasztó meglehetősen egyszerű szerkezet. A beérkező gázolaj alulról megemeli a porlasztó dugattyúcskáját, kinyiva ezzel a gázolaj útját. A porlasztófejek kialakítása meglehetősen változatos, mi a legegyszerűbb egylyukú mellet külön ábrán csak egyetlen un. többlyukú porlasztót mutatunk be, amit a közvetlen befecskendezéshez alkalmaznak.
A motor teljesítményét nem csak a méretével (hengerürtartalom, hengerszám) lehet növelni, hanem a fordulatszám növelésével is. A klasszikus adagolórendszert az jellemezte, hogy a motor oldalára szerelt adagolóból hosszú csöveken át jutott el a gázolaj az előbb ismertetett porlasztóhoz. Ez viszont kellemetlen jelenségekkel (pl. folyadéklengésekkel) járt. Ezen úgy segítettek, hogy az adagolót és a porlasztót egybeépítették (jobb oldali ábra).
Ennek egy továbbfejlesztett - ma is használatos - változatát láthatjuk az alsó ábrán. Ennek fő jellemzője, hogy az adag nagyságát már nem résvezérléssel vezérlik, hanem elektronikus vezérlésű mágneses szeleppel. Ez lehetőséget ad arra, hogy a befecskendezés kedvezőbb legyen. Egyrész mód van a befecskendezés kezdetének és befejezésének optimális időzítésére (hiába megy már lefelé az adagoló A dugattyú, ha a tekercsben nincs áram, a folyadék visszafelé áramlik (1).
Az áram bekapcsolására a D dugattyú elzárja a visszafolyó csatornát (2). A nyomás növekedésével a Cdugattyú a rugó ellenében felemelkedik, s megkezdődik a befecskendezés, aminek a jellegét befolyásolja, hogy a Cdugattyú csak fojtással tudja a maga fölött lévő folyadékot kinyomni (3). Az A dugattyú további mozgása miatt az olaj nyomása is nő, s előbb utóbb a B és C dugattyút leszorítja ütközésig, mivel a B felülete valamivel nagyobb, mint az C-é. Az előbefecskendezés véget ér (4). Természetesen az A tovább mozog, a nyomás nő, s amikor az eléri az időközben "megerősödött" rugó erejét, megkezdődik a főbefecskendezés (5), aminek az áram kikapcsolása (a D dugattyú nyitása) vet majd véget.
Ennek a befecskendező rendszernek egy valóságos kivitelének a képét láthatjuk bal oldalt.
Ami a disztribútoros adagolókat illeti, a működési elvük azon alapszik, hogy egyetlen adagoló elemük van, s az általa szolgáltatott adagokat szépen sorba elosztja a hengerek között. Ez azt jelenti, hogy pl. egy négyütemű négyhengerű motoron egy főtengely-körülforgásra kétszer adagol, mondjuk az első és a harmadik hengerbe, a következő körülforgásra pedig a második és a negyedik hengerbe.
Eleinte meglehetősen sokféle szerkezetet gyártottak, közülük talán az itt látható a legjellegzetesebb. A fő alkatrész egy forgó tengely, amelyiknek a középső részén egy vastag tárcsa van, amiben két munkadugattyú dolgozik egymással szemben. Ezek forgás közben a közéjük nyomott olaj miatt egymástól eltávolodni igyekeznek, de mivel a tárcsát egy (kék) bütykös gyűrű veszi körül, a dugattyúk mozgása korlátozott. A munkadugattyúk és a bütykös gyűrű között egy (sötétkék) papucs és egy (sárga) görgő látható. Az utóbbi feladata a bütykös gyűrűn gördülve időnként benyomni a munkadugattyúkat munkalöketek végzése céljából. A tengelyben egy csatorna vezet vízszintesen ahhoz az öt furathoz, melyek sugárirányban kimennek a hengertest felületéig. Az ötből négy egy síkban van, az ötödik kissé távolabb helyezkedik el. A házban is öt furat van, de ellenkező párosításban: a tengely négy furatának síkjában egy, a tengely magányos furatának síkjában négy furat. Ez utóbbiak a motor négy hengerében lévő porlasztókhoz vezetnek.
A szerkezet működése a következő. Forgás közben a tengely végén lévő szárnylapátos tápszivattyú a gázolajat szállítja felfelé, a fordulatszámtól függően többet vagy kevesebbet. A gázolaj többsége a jobb oldali nyomásszabályozó szelepen át visszajut a tápszivattyú szívó oldalára. De természetesen a növekvő mennyiség jobban kinyitja a nyomásszabályozó visszaömlő nyílását, amihet nagyobb nyomás tartozik. A szállított gázolaj kisebbik része a bal oldali vezérlődugattyúhoz megy, a vezérlődugattyú alá érve igyekszik a dugattyút a rugó ellenében felnyomni. A rugó előfeszítettsége - s ezzel együtt az itt kialakult nyomás - a gázpedál állásától függ. A gázolaj innen a forgó elosztótengelyhez megy, s amikor a forgó tengely négy furata közül valamelyik éppen szembe kerül a tápcsatornával, oda belépve eljut a két adagoló dugattyú közötti munkatérbe. A következő pillanatban az adagolódugattyúk a bütykös gyűrű miatt már kifelé préselik az olajat, a tengely elfordulása miatt azonban már nem vissza a tápcsatornába, hanem a négy porlasztóhoz vezető csatornák egyikébe.
A tápszivattyúval előállított (fordulatszámtól függő nagyságú) nyomás a bütykös gyűrű alatt lévő dugattyúra is hat, amit egy rugó támaszt meg jobbról. Növekvő fordulatszám (nyomás) esetén a dugattyú elmozdul jobbra, s a csap segítségével kissé elforgatja a (kék) bütykös gyűrűt. Ezzel a befecskendezés kezdetét módosítja (a görgő hamarább eléri a bütyköt).
A szerkezet lehetővé teszi, hogy a maximális adagot (maximális lökethoszt) előre beállítsuk. E célt szolgálja a (sötétkék) papucs, ami hosszabb, mint a görgő, ezért jobbra-balra kinyúlik. Helyesebben belenyúlik a (piros) lemezeken kialakított különleges alakú ablakba, melyek két oldalról közrefogják a munkadugattyúkat tartalmazó vastag tárcsát. A (piros) lemezeket két csavarral lehet a tárcsához rögzíteni. Attól függően, hogy rögzítés előtt mennyire forgatjuk el a tárcsákat, a papucsok közelebb vagy távolabb kerülnek egymáshoz, megszabva ezzel a dugattyúk mozgási lehetőségét. A bal oldali részletábra mutatja, hogy elfordított helyzetben a bütykök által elindított görgők csak a hézag eltűnése után kezdik tolni az adagoló dugattyúkat.
Az ilyen disztribútoros adagolók továbbfejlesztett változataiban már nem hidraulika, hanem elektronika segítségével valósul meg a vezérlés.
A mai szigorú nemzetközi követelményeknek azonban legjobban az un. közös - központi - nyomásterű (common rail) rendszerek felelnek meg, melyek lényege, hogy egy szivattyúval nagy nyomást állítanak elő egy megfelelően kialakított (általában cső alakú) térben, s onnan csövek vezetnek az egyes hengerekhez tartozó porlasztókhoz. Az elektronika gondoskodik arról, hogy az egyes porlasztók a megfelelelő pillanatban nyissanak, illetve zárjanak.
Amint az a példának szánt rendszer rajzán látható, a vezérlő egységébe (számítógép) sok érzékelő juttat el adatot a motor pillananyi üzemállapotáról (pl. a forgattyús tengely szögállásáról, a pedálállásról, a töltőnyomásról, a levegő és a víz hőmérsékletéről, a légnyelésről stb.). A mellette lévő ábra egy leegyszerűsített porlasztót mutat. Addig, amíg nincs a (piros) tekercsben áram, addig a belső tereket egyenletesen kitölti a nagynyomású gázolaj. A nyomás az alsó dugattyút ülésére szorítja (a nyílást zárva tartja), mert felülről nagyobb felületre tud hatni (alul a nyílás keresztmetszetét le kell vonni, azonkívül egy kis rugó is lefelé nyomja). Az áram megérkezésekor a felső záródugattyúcska felemelkedik, ezért a fojtófurat után, vagyis a nagy dugattyú feletti térben a nyomás hirtelen leesik. Mivel alul maradt a nagy nyomás, a dugattyú felemelkedik, s megkezdődik a befecskendezés, ami mindaddig tart, míg az áramot kikapcsolva a kis dugattyú mgint zár.
Az utóbbi években kezdték az elektromágneses nyitás helyett a piezokristályos szerkezeteket alkalmazni. Mint köztudott, a piezo tulajdonsága egyfelöl az, hogy mechanikai feszültség (összenyomás) hatására elektromos feszültség alakul ki a felületén, másfelöl, ha elektromos feszültség alá helyezzük, akkor térfogatát (vastagságát) változtatja. Az előbbi tulajdonságát hasznosítják pl. a fülhallgatókban, az utóbbit a dízelbefecskendezők működtetésére. Mivel egy egy lapocska rendkívül kis méretváltozásra képes, ezért nagyon sok lapcskából rudat építenek, s ennek hosszváltozása már elegendő ahhoz, hogy kinyissa azt a nyílást, ami a dugattyú feletti nyomást lecsökkenti.
........................
Ez a rendszer lehetővé teszi a többlépcsős befecskendezést, ami kedvező az égésoptimálás, a kipufogógáz-minőség és a zajszint szempontjából. A diagramon két előzetes, egy fő- és két utóbefecskendezés látható. Az alsó diagramon a piros vonal mutatja a hagyományos befecskendezéskor kialakuló nyomásváltozást, ahol jól megfigyelhető például az ugrálás, ami a zaj okozója. Ezekhez az adagolórendszerekhez mindig hozzátartoznak a tápszivattyúk, melyek gondoskodnak arról, hogy a tüzelőanyag eljusson a tartálytól az adagolóig.
A bal oldalon látható egyszerű szerkezet jellemzője, hogy egy erős rugó lényegében állandó nyomáson tartja a fölötte lévő folyadékot. A dugattyú és az excenter között lévő rúd csak akkor mozdul meg - nyomja le a dugattyút - ha a nyomott térből annyi folyadék távozott, hogy a dugattyú felemelkedése következtében a h távolság az excenter löketénél kisebbre csökken. A központi (közös) nyomásterű rendszerekhez hagyományos, dugattyús szivattyúkat használnak azzal a fontos különbséggel, hogy a dugattyú(ka)t bütyköstengely mozgatja ugyanúgy, mint a klasszikus dízeladagolókban. Gyakran nem egy, hanem három hengert alkalmaznak (mint egy csillagmotor), amiben a dugattyúkat hármas bütyök mozgatja.
Jobb oldalt egy szűrő látható. Míg korábban a filcbetétes szűrő volt a legelterjedtebb, addig ma a papírszűrőt alkalmazzák, mert annak a betétjét elhasználódás után egyszerűen csak kicserélik (a filcbetétet "mosták").
Még egy fontos kiegészítőről kell beszélni, az izzógyertyáról. Téli üzemeltetéskor a hideg motor beindítását segíti elő. A égéstérbe nyúló végét árammal feltüzesítik, s az előmelegíti a levegtőt. Első pillanatban nagy áramerősséggel izzitják a gyors felmelegedés érdekében, majd az áram lecsökken arra a szintre, ami az izzást fenntartja.
Ezeket a gyertyákat sorba kötik, mert így azonnal észreveszi a gépkocsivezető, ha valamelyik gyertya kiég (a többi sem melegszik!).
Otto motorok keverékképzése
Karburátor
A karburátor feladata olyan benzin-levegő-keveréket előállítani, amit a szikra üzembiztosan képes meggyújtani, továbbá ami a különböző üzemi feltételeknek (alapjárat, gyorsítás stb.) jól megfelel. Az utóbbi követelmény miatt egy karburátorba több porlasztót építenek be. Az alap a főfúvóka által szolgáltatott keverék. Ennek a keveréknek alapvető tulajdonsága, hogy a benzin-levegő arány nem állandó, hanem a levegő tömegáramánanak a nagyságától függ:
A kémiai reakcióegyenletekkel meghatározható elméleti keverési arányt az m = 1 légfelesleg-tényező jellemzi. Ha az m nagyobb 1-nél, akkor keverék benzinben dús, ha kisebb, akkor szegény. A motor elméletileg az m =1egyenes szerint szeretne keveréket kapni. A valóságban a folyamatot a vastag vonallal rajzolt görbe mutatja. Ez nem a nulla légáramtól indul, hanem egyatávolságra, aminek a nagysága a zmérettől függ: bizonyos levegősebességre szükség van ahhoz, hogy az általa előállított depresszió fel tudja szívni a benzint a cső tetejéig. A görbe meredeksége viszont a főfúvóka keresztmetszetétől függ: nagyobb furaton több benzin tud átáramlani.
A diagramon látható, hogy az egyszerű (elemi) porlasztó csak egyetlen pontban produkálja az ideális keverési arányt. Szükség van tehát a karakterisztika befolyásolására, "kiegyenlítésére". Erre nagyon sok módszert dolgoztak ki, itt most csak az aknás, illetve féklevegős módszert mutatjuk be.
Az következő ábrán a főfúvóka és a légtorok között egy akna látható, aminek addig nincs szerepe, amíg a levegő áramlása lassú. Ilyenkor ugyanis olyan kevés benzint szív be a depresszió, hogy az a főfúvókán erőltetés nélkül keresztül tud folyni. A levegőáramlás növekedésével azonban elérkezik az a pillanat, amikor a főfúvóka már fékezi a benzin áramlását, emiatt az aknában lévő benzint is szívni kezdi a depresszió, s ennek következtében a benzin szintje ott süllyedni kezd. Az aknában kialakult szint alacsonyabb az úszóházban lévő benzinszintnél, ezért onnan több benzin fog átpréselődni a főfúvókán, gazdagabb lesz a keverék. Ez addig tart, míg az akna teljesen ki nem ürül. Ettől kezdve viszont csak annyi benzint tud a depresszió beszívni, amennyit az úszóházban lévő benzinoszlop magassága átnyom a főfúvókán. Ez a szintmagasság viszont állandó, tehát akármennyire is felgyorsul a levegő áramlási sebessége a benzináram nem nő, vagyis a karakterisztika ettől kezdve vízszintes:
Ez azt jelenti, hogy az akna önmagában nem megoldás. Viszont ha ezt a porlaszót párhuzamosan alkalmazzuk a főfúvóka porlasztó-rendszerével, akkor kiváló eredményt kapunk. Itt csak arra kell ügyelni, hogy a két renszer összhangban legyen egymással, vagyis a főfúvóka és a kiegyenlítő fúvóka által szállított benzin együttesen simuljon az ideális egyeneshez:
De az aknás megoldás is átalakítható úgy, hogy egyedül is jó karakterisztikát produkáljon. Ehhez nem kell mást tenni, mint az aknát lefedni, s a fedelén picike furatot (légfúvókát) kialakítani. Ekkor az akna kiürülése után is nőni fog a benzináram a levegőárammal együtt, mert a kis nyíláson csak kevés levegő tud beáramolni, az aknában depresszió képződik, ami átszívja a benzint a főfúvókán keresztül. Persze a növekedés lassúbb, mint az eredeti, "féklevegő" nélküli kivitel esetén. De éppen az a cél, hogy amikor a benzináram az ideális szint fölé megy, ne növekedjen tovább a benzináramlás sebessége az eredeti ütemben, hanem törjön meg, közeledjen az ideális egyeneshez, s az üzemi tartományban ne is távolodjon el tőle (3 görbe).
A jelenséget megértjük, ha belegondolunk abba, mi történik, ha a fedélen egyáltalán nincs lyuk: a benzináram folyamatosan nő az eredeti intenzitással (1 görbe), mintha nem is lenne ott az akna. Mi történik, ha a lyuk nagyon nagy, vagyis elhagyjuk a fedelet? Akkor - mint láttuk - a töréspont után vízszintes lesz a karakterisztika (5 egyenes). Nos, a lyuk (levegő-fúvóka) méretétől függ, hogy a karakterisztika melyikhez lesz közelebb, az eredeti meredekhez (2 görbe), vagy a vízszinteshez (4 görbe).
A legelső ábrán (is) látható, hogy a gyorsan áramló levegő depressziója szívja be a benzint - az üzemi tartományban. Ugyanis akkor már olyan nagy a motor fordulatszáma, hogy a depresszió elegendő a z magasság legyőzéséhez. Az álló motor indításakor azonban az indítómotor nem tudja olyan gyorsan forgatni a motort, hogy a depresszió elegendő legyen, ezért gondoskodni kell valamilyen kiegészítő szerkezetről. A sok megoldás közül a legegyszerűbbet mutatjuk be. Egy "pillangószelepnek" becézett alkatrészt építünk be a fojtószeleppel ellenkező oldalra (esetünkben alulra), ami általában nyitva áll, azaz nem fékezi az áramló levegő haladását. Indításkor a "szívató" gomb kihúzásával a gépkocsivezető ezt a szelepet zárja (egyidejűleg kissé nyitja a fojtószelepet). Emiatt már egészen lassú forgás esetén is akkora depresszió alakul ki a diffúzorban, hogy a motorba elegendő benzin jut. A beindulás pillanatában természetesen a motor fodulatszáma hirtelen megnő, s a depresszió - így a benzinbeszívás is - megugrik. A több benzinhez több levegő kell, erről a pillangószelepen lévő szelep gondoskodik (a megnőtt depresszió kinyitja). Természetesen nem szabad a pillangószelepet sokáig zárva tartani, mert a keverék túldúsul, s a motor leáll. A gépkocsivezetőnek tehát gyorsan vissza kell nyomnia először egy kicsit a szívató gombot, majd amikor a motor már egyenletesen jár, teljesen. (Mindezt egy automatika is elvégezheti.)
Voltak olyan megoldások, amikor külön indítási porlasztórendszert építettek a karburátorba a főfúvóka-rendszer mellé.
Alapvető probléma, ami az egyszerű (elemi) porlasztót jellemzi, hogy a motor alapjáratában - a lasú forgás, kis depresszió miatt - a főfúvóka nem tud benzint szállítani, a szívás nem tudja az szintkülönbséget legyőzni. Emiatt a főfúvóka-rendszer mellé egy másik porlasztórendszert kell a karburátorba beépíteni, az un. alapjárati porlasztót. Ezeknek a lényege az, hogy egy csatorna felmegy egészen a fojtószelepig, annak pereméig. Alapjáratban (felengedett gázpedál) a "zárt" fojtószelep természetesen nem teljesen zárt, hiszen az alapjárathoz szükséges keveréknek be kell jutnia a motorba. A nyitva hagyott rés mérete olyan szűk, hogy ott az átszívott levegő sebessége eléri az un. kritikus sebességet (az adott nyomáshoz tartozó hangsebességet), aminél nagyobb sebesség szívással (!) nem állítható elő. Ez azt jelenti, hogy az állandó sebességű légáram állandó sebességű benzináramot szív be, ezért az alapjárat fordulatszáma stabil (szemben a dízelmotoréval, ahol külön kell gondoskodni az alapjárat szabályozásáról). Annyit még tudni kell, hogy az alapjárati keverék előállításához szükséges levegő nem csak a fojtószelep pereménél jut be, hanem a felszívott benzihez oldalról is csatlakozik egy fúvóka által korlátozott mennyiségű levegő. Ennek következtében tulajdonképpen már nem tiszta benzin lép be a szívócsőbe, hanem benzin és levegő elegye ("hab", emulzió), aminek a mennyiségét egy csavarral lehet beállítani (ettől függ a kipufogó gáz összetétele).
A következő probléma az, hogy minden esetben, amikor a felengedett gázpedálra lépve gázt adunk, a keverék elszegényedik, s a motor leállhat. Ugyanis a fojtószelep kinyitását követően a levegő tömegárama - kissebb sűrűsége miatt - sokkal gyorsabban nő, mint a benziné, annak nagyobb tömegtehetetlensége miatt. Ezen úgy lehet segíteni, hogy a fojtószelep pereménél nem egy, hanem két furattal kötjük be az alapjárati rendszert. Amint a jobb oldalon lévő ábrácskák mutatják, amíg a fojószelep pereme alapállásban van, az alsó bekötő furaton keresztül is áramlik levegő a benzinhez, illetve az emulzióhoz. A gázpedálra lépve a fojtószelep pereme elindul lefelé, elzárja az alsó bekötő furatot, az emulzió benzinben gazdagabb lesz. A következő pillanatban az alsó bekötő furat megint kinyílik, de most már azon keresztül is benzin-emulzió áramlik. Ennek az átmeneti dúsításnak eredményeként gázadáskor nem áll le a motor. Természetesen a fojtószelep további távolodása következtében ezen a tájékon a depresszió gyorsan lecsökken a normális mértékre, s emiatt ezen a rendszeren keresztül már nem tud benzin bejutni a szívócsőbe (nagyon magasra kellene felszívni a benzint).
Itt most nem részletezzük, csak megemlítjük, hogy a fenti problémákon kívül még számos egyébb követelményt kell(ene) teljesítenie a karburátornak. Így például az átmeneti nagy teljesítmény-igény tartamára dúsabb keverékre van szükség, de ugyanez a helyzet a "forszírozott" gyorsításkor is.
Mint látható tehát, az egytorku karburátor sem egy egyszerű porlasztó, hanem több (sok) porlasztóból álló porlasztó-rendszer, ami - különösen a két-, illetve a négytorkú karburátorok esetében - meglehetősen bonyolult szerkezet lett. Ennek ellenére ma már nem tudja kielégíteni az egyre szigorodó nemzetközi követelményeket, ezért a karburátort felváltotta a benzinbefecskendezés.
Példaként azért bemutatjuk Wartburg karburátorát, ami a legegyszerűbbek közé tartozott:
Benzinbefecskendezés
A karburátor ismertetését azzal fejeztük be, hogy ma már nem tudja kielégíteni az egyre szigorodó nemzetközi követelményeket, ezért a karburátort felváltotta a benzinbefecskendezés. Erre legelőször a repülőgépmotoroknál került sor, elsősorban az úszóház miatt, de már a harmincas évektől gépkocsimitirikon is kísérleteztek vele. A befecskendező rendszereket többféleképpen lehet osztályozni. Vannak közvetlen és közvetett befecskendezésűek: az előbbin a benzint a hengerbe fecskendezik be (C), az utóbbin a szívócsőbe. íitt is két lehetőség van: régebben a fojtószelep előtt (egy fecskendezővel A), később a fojtószelep és a szívószelep(ek) közé. Ezeknél is többféle megoldást alkalmaztak: minden hengerhez külön-külön közvetlenül a szívószelepekre (B), vagy azoktól kissé távolabbra, két-két hengerhez menő szívócső-szakaszba. Jelenleg a közvetlen befecskendezés a legelterjedtebb.
A benzinbececskendezés legfőbb előnyei a karburátorral szemben:
- nincs a szívócsőben jelentős szűkítés (töltési hatásfok);
- a szícócső méretezésekor nincs megkötve a konstruktőr keze (akusztikus feltöltés);
- a benzinmennyiség pontosabban szabályozható (a kompresszió növelhető, a kipufogó gáz összetétele javítható);
- minden hengerbe azonos benzinmennyiség adagolható, illetve az adag a henger pillanatnyi üzemállapotához - pl. hőmérséjletéhez - igazítható (a motorban rejlő teljesítmény jobban kiaknázható);
- nincs eljegesedési veszély;
- a motor gyorsabban reagál a pedálmozgatásra;
- kétütemű motorokban - közvetlen befecskendezés esetén - tiszta levegővel valósul meg az öblítés.
Annak idején az első benzinbefecskendezőket dízeladagolókból alakították ki, természetesen jelentős átalakításokkal (egészen más szabályozórendszert dolgoztak ki, gondoskodtak az adagoló elem kenéséről, módosították a bütyökprofilokat stb.).
Később számtalan rendszert dolgoztak ki: a tisztán mechanikus szerkezeteket kombinálták hidraulikával, pneumatikával, elektromossággal. Ma már kizárólag elektronikus szerkezeteket gyártanak, aminek a lelke egy számítógép. Ide jutnak be a különböző érzékelők és jeladók pillanatnyi információi, s innen mennek ki az utasítások a különböző végrehajtó szerkezetekhez, melyek közül természetesen a legfontosabbak a befecskendező szelepek. Ezekhez egy tápszivattyú egy elosztó csövön keresztül benzint juttat el, s a villamos áram a szükséges pillanatban nyitja, illetve zárja a szelepeket. Az alábbi rajzon a következő érzékelők láthatók: levegőmennyiség, motorhőmérséklet, kopogás, szívócső-nyomás, a benzintartályban lévő gőznyomás, lambda-szondák. Jeladók adnak tájékoztatást a gázpedál benyomottságáról, a fordulatszámról és a holtpontról.
Az elektronikus vezérlőegység az adatok értékelése alapján küld parancsot a befecskendező szelepekhez és a fojtószelepet állító motorhoz. De ha szükségét érzi, akkor egy szelep megnyitásával szekunder levegőt küld a kippufogó csőbe, hogy az égés tökéletes legyen. Amikor a vezérlőegység szükségét látja, akkor a kipufogó gáz egy részét visszavezeti a szívócsőbe. Ugyancsak egy szelep nyitásával-zárásával teszi lehetővé, hogy a benzintankban fejlődő benzingőzt aktív szénen keresztül bevezesse a szívócsőbe, illetve hogy friss levegő regenerálhassa az aktív szenet.
Az elektronikus vezérlőegység természetesen nem csak a benzinbefecskendezést vezérli, hanem más feladatokat is ellát. Ezek közül legfontosabb a gyújtás vezérlése. De a meghibásodást is jelzi, s a diagnosztikai berendezésekhez csatlakozva a konkrét hiba megállapítását teszi lehetővé. Ezenkívül gondoskodik az indításgátló működéséről is.
Az alábbi rajz a megvalósított szerkezeteket szemlélteti:
Ezek közül a gázpedált mozgató mechanizmusnak a fényképét is bemutatjuk.
A levegőmennyiség-mérőről annyit, hogy eleinte különböző mechanikus mérőket alkalmaztak, olyant, mint például a második ábra bal felső sarkában látható szárnylapátos szerkezet.
Ma első sorban a hődrótos érzékelőket alkalmazzák, ami azon az elven működik, hogy az elektromos árammal enyhén melegített "izzószál" ellenállása attól függ, hogy az áramló levegő azt mennyire hűti. Nyilván az erősebb áramlás jobban.
Szívás - kipufogás
Egy szűrőn és a szívócsövön keresztül jut be a levegő a motorba. A szívócső a hengerfejben kialakított szívócsatornában folytatódik. A kipufogócsatorna folytatása a kipufogócső.
A benzinmotor szívócsőbe építették a karburátort, illetve kezdetben a a benzinbefecskendező fúvókáját. A szívócső és a szívócsatorna közé építik a térfogatkiszorításos feltöltőt.A kipufogócsőbe építik a katalizátort és a hangtompítót.
A szívó- és a kipufogócső közé építik a turbofeltöltőt.
A korszerű motorok szívó- és kipufogócsöveinek a kialakítására nagy gondot fordítanak, külünösen a hosszára, "hangolására". A nyomáshullámok figyelembevétele ugyanis jelentősen javíthatja a töltési hatásfokot (dinamikus feltöltés - magyar találmány), továbbá csökkentheti a kipufogási ellenállást és a zajt.
A jobb oldali ábrán a sokféle kialakítás közül példaként kettőt mutatunk be, az alsónál a variálhatóságot is. Sok motoron a szívócső hossza változtatható a folyamatos hangolhatóság érdekében.
A korai levegőszűrőkben fémforgács volt, amit az edény aljában lévő olaj nedvesített. A szennyeződés a fémforgácshoz ragadt, ezért azt időnként ki kellett mosni.
A mai légszűrőkben papírbetétet alkalmaznak.
Eleinte ezek hengeralakúak voltak, később korongalakúak, ma legtöbbször lapos tálcához hasonlítanak.
Természetesen itt mosásra nincs szükség, egyszerűen cserélik a papírbetétet.
A teljesítmény fokozása érdekében alkalmazott feltöltőknek két fő típusa ismeretes, a térfogatkiszorításos ( Roots-fúvó és a csavarkompresszor, régebben a szárnylapátos, illetve kétlapátos is), valamint a turbótöltő.
A Roots-fúvó lényegében "fogaskerékszívattyú", amiben két-, három- vagy négyfogú "fogaskerekeket" alkalmaznak. Természetesen ilyen kis fogszám esetén nem elég az egyik "fogaskereket" forgatni, egy külső, valódi fogaskerékkel kell forgatni a másikat (jobb oldali kép).
Míg a Roots-fúvó a tengelyirányra merőlegesen fújja a levegőt, addig csavarkompresszor (két szélső ábra) tengelyirányban.
A turbófeltöltőt egy gázturbina hajtja, amit a kipufogógáz forgat (lásd: 1 - 2) . Előfordul, hogy a gázturbinát maga a motor hajtja valamilyen mechanikus vagy villamos erőátvitellel.
A turbótöltő igen nagy (20...100 ezres) fordulatszámmal jár, teljes terheléskor a turbinaház vörös izzásig fel tud melegedni.
A tengelyek csúszócsapágyait olajozni kell, az olajat pedig hűteni.
A turbótöltő nem tud a teljes üzemi tartományban eredményesen működni. Ezen úgy is lehet segíteni, hogy a rögzített vezetőlapátok helyett állítható vezetőlapátokat alkalmazni, mint például az itt látható esetben:
De az is segít, ha a turbótöltőt az üzemi tartomány felső (nagyobb fordulatszámhoz tartozó) szakaszához illesztik, s az alsó szakaszhoz pedig a szívó-kipufogó csöveket hangolják (dinamikus feltöltés).
A kipufogócsőbe épített katalizátor feladata a kipufogó gáz tisztítása. Mit ír erről a szakirodalom: 1 - 2 - 3 ?
Az első (egyágyas, oxidációs) katalizátorokban levegőbefúvás segítségével a CO és HC oxidációja valósult meg, a későbbi (kétágyas, oxidációs-redukciós) katalizátorban már az NOx redukálására is sor kerult. A mai, szabályozott keverékképzésű (benzinbefecskendezés!) motorokban a hármas hatású katalizátor a lambda-szonda segítségével mindhárom káros anyag kibocsátását csökkenti, jól működő katalizátor esetében az 1 és az 1,01 légviszony közötti "lambda ablakban" a hatásfok megközelíti a 100 %-ot.
Maga a katalizátor egyébként acél vagy kerámia vázra felhordott platina, ródium stb. rétegből áll.
A lambda-szonda(oxigén-szenzor) méri a kipufogógáz oxigéntartalmát (a katalizátor előtt, de ha a katalizátor után is van, akkor az a katalizátor hatásfokáról is jelzést adhat). A jeleket a számítógép folyamatosan értékeli, s annak alapján vezérli a befecskendezést.
A szonda egyik vége a kipufogócsőbe nyúlik, a másik vége a szabad levegővel érintkezik. A (sárga színű) kerámia hüvely felülete (piros színnel jelzett) porózus platinával van bevonva. A külső és a belső platinaréteg között az oxigéntartalom mértékével arányos feszültségkülönbség lép fel: a 0,2 V közeli érték sok oxigént (szegény keveréket) jelent, az 1 V közeli érték már jó minőségű kiopufogógázhoz tartozik. A szonda ezt a feladatát csak akkor tudja ellátni, ha már 300 fokra felmelegedett, ezért az utóbbi időben már olyan szondákat gyártanak, melyeknek a belsejébe fűtőszálat építettek.
A szonda élettartama nem végtelen, az elhasználódás jele lehet például az, hogy a jármű haladása egyenetlenné válik, megnő a fogyasztás, a kipufogógáz összetétele romlik. A szonda meghibásodását egy jelzőlámpa is jelezni szokta, s természetesen az autó számítógépe is hibát jelezhet.
Mit ír a szaksajtó az emisszió-technikáról?
  A kipufogócső másik elmaradhatatlan eleme a hangtompító, mely több elven működhet. A legegyszerűbb un. abszopciós hangtompítóban (a) valamilyen lágy fémforgács, fémfonat stb. egyszerűen "elnyeli" a hangot (jobboldali ábra). A b ábra soros, a c ábra párhuzamos rezonanciakamrás megoldást mutat. Az interferencia-kamrás hangtompító (d) azon az elven alapszik, hogy a hang a lyukon keresztül áthatol a vastagabb csőbe, majd a cső végén visszalép. A kilépő hang azonban hosszabb utat tesz meg, ezért visszalépéskor - helyes hangolás esetén - az eredeti hanggal ellentétes fázisban érkezik, ezért a két hullám kioltja egymást. A e kamrában az irányváltoztatás csökkenti a hangerőt. Mivel ezek a kamrás hangtompítók mindig csak egy-egy frekvencia-sávban hatásosak, a valós szerkezetekben ezeket kombinálják:
|
Gyújtás
A benzinmotorokban a keveréket villamos szikrával gyújtjuk meg. A gyújtógyertya pólusaira impulzusszerűen 40 ezer voltos áramot kapcsolunk, amely a 0,4...0,8 mm-es szikraközt átíveli. A gyújtógyertya felépítése a bal oldali ábrán látható: a kerámia belsejében végigfutó fémvezető (amit zavarszűrő villamos ellenállás, vagy szikraerősítő hézag szakíthat meg) végét meghatározott távolságra egy vagy több csap közelít meg, mely(ek) a kerámiát magába foglaló, csavarmenettel ellátott fémtesthez van(nak) erősítve. A gyertya fegyverzete természetesen üzem közben felmelegszik. Ha nem jó a hővezetés, akkor a a hőmérséklet több vagy kevesebb lehet az ideálisnál. Ha több, akkor áttüzesedve szikra nélkül is meggyújtja a keveréket, ha kevesebb, akkor korom rakódik rá, ami zárlatot okoz.
A gyertya hővezetése ("hőértéke") több tényezőtől függ, elsősorban attól, hogy a kerámiatest alsó vége mekkora fellületen érintkezik a fém fegyverzettel. A jobb oldali ábrán az elsőnek kisebb a hővelvezetése, a másiknak nagyobb. Egyébként a fegyverzet kialakítása ( a pólusok alakja) meglehetősen nagy változatosságot mutat.
.........
A nagyfeszültséget transzformátorral ("tekeccsel") állítjuk elő. A primer áramot az akkumulátorból, illetve a dinamóból/generátorból vesszük, s ezt az áramot kell a megfelelő pillanatban megszakítani, hogy a szekunder oldalon megkapjuk a nagyfeszültséget. Ezután arról kell gondoskodni, hogy ez a nagyfeszültség mindig a megfelelő henger gyújtógyertyájához menjen.
Az itt látható kapcsolási rajz mutatja a majd száz éven át alkalmazott gyújtási rendszert. A primér áramot mechanikus kapcsoló ("kalapács") szaggatta, amivel párhuzamosan egy kondenzátort kötöttek be a szikracsökkentés érdekében. A nagyfeszültségű szekunder áramot szintén mechanikus szerkezet, a forgó elosztó küldte az egyes hengerekhez
Az elosztó (kék) tengelye a főtengelyről kapja a hajtást. Maga az elosztó rész fönt látható: középen ékezik a szekunder áram, a forgó réz lemezke elhalad az egyes hengerekhez vezető fegyverzet előtt, s oda kis szikra kíséretében átlép az áram.
Középen látható a szaggató kalapács, alatta az előgyújtás-szabályozó. Ugyanis a gyújtás - felső holtponthoz időzített - pillanatát a motor fordulatszámától függően célszerű változtatni: nagyobb fordulatszám esetén hamarább kell gyújtani a tökéletes égés érdekében.
Legelterjedtebb a centrifugális szabályozó volt. A kék tengely és a (szürke) folytatása nincs közvetlen kapcsolatban. A kék tengely azt a sárga tárcsát forgatja, amire fel van szerelve a két (piros) röpsúly. Ezek viszont megtámasztják a (szürke) bütykostengelyből kinyúló karokat. A rajz lassú forgásnak megfelelő állapotot mutat: a rugók a karokat úgy húzzák, hogy a röpsúlyok kénytelenek befelé záródni. A fordulatszám növekedésével azonban a centrifugális erő a röpsúlyokat kifelé fogják mozdítani, s a röpsúlyok rövid karjuknál fogva kénytelenel a bütykös tengelyt kis mértékben elfordítani a sárga tárcsához képpest. A forgásirányt figyelembevéve látható, hogy ilyenkor a bütykök úgy fordulnak el, hogy hamarább nyitják a kontaktusokat, nő az előgyújtás mértéke.
Eléggé elterjedt volt az a rendszer is, amelyikben - a szaggató kontaktusokat és a kalapácsot tartó tárcsát - forgatták el a szívócsőben lévő depresszióval arányosan.
Jobb oldalt egy ilyen elosztó fotója látható.
A növekvő motorfordulatszám miatt a mechanikus áramszaggatás fokozatosan bedöglött. A kontaktusok között kialakult szikra még ki sem hunyt, már újból zárni kellett.
Ezért a tervezők a félvezetőkben (tranzisztor, tirisztor, dióda stb.) keresték a megoldást, egy darabig próbálkoztak kondenzátor feltöltésével-kisütésével is.
A tranzisztoros gyújtás nagyon leegyszerűsített kapcsolási vázlata itt látható (a tranzisztor védelmére szolgáló ellenállások és kondenzátorok, a túlfeszültség és a polaritácsere elleni diódák stb. nélkül):
Itt a tranzisztort impulzusgenerátor nyitja illetve zárja, de erre más megoladások is voltak (pl. Hall-generátor).
Egy korszerű gyujtásvázlat nagyon sok alkatrészből áll:
Végül is a legkorszerűbb módszer az, amelyikben semmilyen mechanikus alkatrész nincs: mindent az elektronika végez.
Ehhez az kellett, hogy a gyújtótekercset és a gyújtógyertyát összerakják egy egységbe, s mindegyikből annyit építenek be a motorba, ahány hengere van. A motorkonstruktőr ezeket készen kapja, csak a beépítésükről - és a vezérlés programjáról - kell gondoskodnia.
Indítás
A belsőégésű motor - szemben például a gőzgéppel - magától nem képes beindulni, ehhez külső erőt kell igénybevenni. Sokáig ezt az erőt a gépkocsivezető szolgáltatta: hajtókarral ("kurblival") forgatta meg. Villamos indítómotort először a BOSCH gyártott, de a "kurbli"-csatlakozást a biztonság kedvéért még sokáig kialakították a forgattyús tengely végén - persze csak a kisebb motorokon. Az indítómotor soros kapcsolású egyenáramú motor két vagy négy kefével.
Az indítómotor fogaskerék segítségével hozza forgásba a belsőégésű motort a lendkerékre épített fogaskoszorúba kapaszkodva. Természetesen a két fogaskeréknek csak az indításkor kell (szabad) kapcsolatban lenni. A kerekek összekapcsolására háromféle módszer terjedt el.
Ma már ritkán alkalmazzák a kis fogaskerék tömegtehetetlenségén alapuló módszert. Ennek az a lényege, hogy az armatúra tengelyének menetes végére ültetik az aszimetrikus tömegközéppontú fogaskereket. Amikor az armatúra forogni kezd, a kis fogaskerék addig nem fog vele együtt forogni, amíg a menet végéig ki nem fut (a lelógó sonka miatt nem kezdi meg a forogást). Az armatura tengelye és annak menetes része nem egy darabból készül, de a rajzon látható módon kapcsolódik a két rész: egyrészt a két tengely-rész kotyogással illeszkedik egymáshoz, másrészt egy erős rugó a kotyogást - alapállásban - az egyik forgásirányban megszünteti (a két tengelyrészt egymáshoz képpest elcsavarja). Az indítómotor elindulásakor a rugó visz át akkora nyomatékot, hogy a menetes rész is forogjon (s a fogaskerék kifusson), amikor azonban a fogaskerék kapcsolatba kerül a fogaskoszorúval, akkor a rugó ellenében a kotyogás helye átvált, s attól kezdve a nyomaték merev kapcsolatban megy át a menetes részre. A rugalmas kapcsolódás a célja a két fogaskerék érintkezésének a megkönnyítése.
Természetesen a belsőégésű motor elindulásakor a gyorsabban forgó fogaskoszorú kilöki magából a kis fogaskereket - de az áramot is ki kell kapcsolni.
A ma legelterjedtebb típusban a fogaskereket egy kétkarú emelő tolja el a rajzon láthatón szerkezet segítségével. Amikor áramot kap a fölül látható elektromágneses behúzó, akkor a fogaskerék elindul balra. A fogaskoszorúhoz való kapcsolódás erőszakosságát a rugó mérsékli.
A fogaskerekek kapcsolódása után kap áramot maga az indítómotor (a kontaktus az elektromágneses behúzó szélső helyzetében zár). A kis fogaskerék szabadonfutón keresztül kapcsolódik a bordás tengelyhez, s ezért a beindult belsőégésű motor nem tud visszafelé hajtani, nem rongálja az indítómotort. Ugyancsak a kapcsolódás simasága érdekében ma már ferde bordákkal készítik a tengelyt.
Az utóbbi dőben az indítómotor tömegének a csökkentése érdekében nagy fordulatszámú motorokat gyártanak, melyekbe azonban (bolygóműves) lassító áttételt kell beépíteni.
Nagyobb teljesítményű motorokhoz szokták az un. csúszóarmatúrás indítót alkalmazni. A fogaskerekek kapcsolódása úgy jön létre, hogy az armatúrát az állórész mágneses ereje behúza, amikor áramot kap. A korszerűbb változatokba kis (többlamellás) tengelykapcsolót is beépítenek, amit elektromágnes zár akkor, amikor a fogaskerekek már kapcsolódtak.
A kapcsolási rajzok közül az első arra hívja fel a figyelmet, hogy a gépkocsivezető kezeügyében lévő gyujtáskapcsoló nem alkalmas az indítómotor működtetésére: a 40...100 amperes áramerősség (teherautóknál jóval 100 A fölött) a kapcsolót tönkre tenné, ezért relét kell beépíteni. A legtöbb esetben még egy relé van az áramkörben: a másodikat maga az indítómotor kapcsolja akkor, amikor már a fogaskerekek kapcsolódtak. Néha egy ellenállással áthidalják ezt a relét, s akkor már a K1 bekapcsolásakor is megy - gyenge! - áram a motorba, de a teljes áram csak a K2 zárásakor indul meg.
A legújabb irányzat a motor lendítőkerekét vett célba: úgy alakították ki, hogy az egyúttal indítómotorként is működik.
Nincs szükség fogakoszorúra.
Ennek továbbfejlesztett változata újabb funkciót is betölt: generátorként áramot termel!
A legújabb változata lengéscsillapító feladatot is ellát a mágneses erővonalak szabályozásával, sőt hibrid járművekben áramot is fejleszthet, illetve a belsőégésű motornak - villanymotorként - segít vonóerőt bövelni, lejtőn való haladáskor pedig rekuperál: tölti az akkumulátort. Ezekben az esetekben azonban további szerkezeteket is be kell építeni, pl. tengelykapcsolókat.
Hűtés - olajozás
A belsőégésű motorban lejátszódó termikus folyamatnak kikerülhetetlen része a hőelvonás, a hűtés. A "felesleges" hőt - gépjárművek esetében - a környező levegőbe vezetjük vagy közvetlenül (léghűtés) vagy hűtőfolyadék közvetítésével ("vízhűtés"). ("Igazi" vízhűtésről csónak- és hajómotorok esetében beszélhetünk.)
A léghűtés előnyei: nem kell hűtőfolyadék, nincs fagyveszély, könnyebb hidegindítás, az üzemi hőmérséklet gyorsabb elérése, kevés, vagy semmi segédberendezésre nincs szükség.
Hátránya, hogy erősen változó üzemi viszonyok között nehezebben tud alkalmazkodni a terhelés változásához, azonkívül meglehetősen zajos.
A hőelvonást úgy kell szabályozni, hogy a motor hőmérséklete állandó legyen. Ezt léghűtés esetén a hozzávezetett levegő mennyiségének változtatásával (zsaluzás, változtatható szállítású ventillátor) tudjuk elérni. A ventillátor sokáig a motortól kapta a hajtást mechanikus erőátvitellel (fogaskerék, lánc, ékszíj stb.). Ennek hátránya, hogy a szállított levegő mennyisége a motor fordulatszámától, s nem a terhelésétől függően változik. Ma már általában a motor fordulatszámától függetlenül lehet a ventillátor forgását befolyásolni. Próbálkoztak a ventillátort kis hidrodinamikus tengelykapcsolóval forgatni, aminek a feltöltöttségét vezérelték. Később olyan mechanikus tengelykapcsolót építettek be, aminek a be-ki-kapcsolását elektromágnesre bízták. De elterjedt volt az állítható lapátozású ventillátor is. Legjobban a villamos motorral való hajtás vált be.
A vízhűtésnek két fő típusa ismert, a régebbi termoszifon-rendszerű és a mai kényszeráramoltatásos (szivattyús) hűtés.
A végtelenül egyszerű termoszifonos hűtés azon alapszik, hogy a hidegebb folyadék a nagyobb sűrűsége miatt igyekszik kiszorítani a meleget, ha a hideg van felül. Ez azt jelenti, hogy a hidegebb (hűtött) folyadék tömegközéppontját - vagyis magát a hűtőt - a motorban lévő meleg folyadék tömegközéppontjánál magasabbra kell helyezni.
Szivattyús hűtés esetén a hőmérséklet-szabályozás hasonló módon történik, mint a léghűtésű motorokon, de itt mindig van egy belső szabályozás is, ami a hűtőfolyadék áramlását befolyásolja.
Ezt a feladatot az un. termosztát látja el, aminek sok változata terjedt el. A legismertebb ezek közül azon alapszik, hogy egy könnyen táguló edénybe ("harmónikás csőbe") olyan folyadékot tesznek, aminek a forráspontja kb. 80 fok körül van (jobb oldali két ábra fönt). Amikor a hűtőfolyadék eléri ezt a hőmérsékletet, a gőzképződés megnyújtja a harmónikát, s az kinyit egy szelepet, ami zárt állapotban nem engedi, hogy a folyadék a hűtő felé menjen, az kénytelen visszafolyni a motorba. Van olyan termosztát is (jobb oldali), amelyik a szelepet tovább emelve el is zárja a szívattyú felé vezető csatornát: a teljes folyadékmennyiség kénytelen a hűtőn keresztül áramolni. Ez sokáig 95 fokos maximális hőmérsékletet jelentett. A 70-es évek eleje óta azonban ezt a határt 110 fokra növelték, ugyanis a nagyobb hőmérséklet-különbség kisebb méretű hűtőt igényel.
Ugyancsak az utóbbi időben terjedt el az a termosztát, amelyik "fogpaszta-elven" működik: a szelep szára olyan henger, amiben speciális viasz van. Az adott hőfokon folyékonnyá válik, a térfogata megnő, s a henger kénytelen elindulni lefelé:
.................
Ezek után különösen fontos lett, hogy a hűtőt lezáró bajonetzáras "hűtősapka" megfelelően működjön (bal alsó ábra). A jobb oldali ábrán látható, hogy abban két szelep is van, az egyik - a kisebb - lefelé nyílik (depresszió esetén), a másik felfelé (túlnyomás esetén).
Van olyan hűtősapka is, amelyikben a kisebbik szelepet nem tartja alaphelyzetben zárva egy rugó, hanem ellenkezőleg, nyitva van egy ráakasztott, pontosan kiszámított méretű kis súly miatt.
Ez azt jelenti, hogy a hűtőben atmoszférikus nyomás van mindaddig, míg a gőzképződés meg nem indul. Akkor a kiáramló gőz magával rántja a szelepet, s az lezár.
Maga a hűtő egyébként csőkötegből áll. Két típusa van: vízcsöves és légcsöves. Mint a nevük mutatja, az egyiknél (bal oldali ábra) a csőben ármalik a a folyadék, s körülötte a levegő, a másiknál fordítva. Az utóbbi a hatásosabb, de drágább.
.....
A vízhűtés már régen nem azt jelenti, hogy a hűtőfolyadék tiszta víz. Annak ugyanis van egy kellemetlen tulajdonsága: télen megfagy. Ezért korán elkezdtek fagyálló folyadékot keverni a vízhez, igaz ezt a keveréket tavasszal elraktározták a következő télre. Kiderült azonban, hogy más problémák (pl. rozsdásodás) is járnak a vízzel, ezért ma már speciális adalékkal állítják elő a hűtőfolyadékot, amit csak két évenként cserélnek. Az adalék fő alkotó része sokáig etilén glikol volt, ami nagyon veszélyes méreg, ezért az utóbbi időben propilén glikolt alkalmaznak.
Ami az olajozást illeti, annak is van hűtési (hőelvonási) feladata, de természetesen a fő feladata a csúszó-súrlódó felületek kenése. Az olajozás legegyszerűbb módja a keverék-olajozás, amit elsősorban kis teljesítményű, kétütemű, forgattyúsház-öblítésű benzinmotorokban alkalmaznak (alkalmaztak). A benzinbe 1:20...1:50 arányban bekevert speciális - benzinben jól oldódó - olaj lényegében minden helyre eljut. Voltak olyan próbálkozások, amikor az olajat nem a benzinbe keverték, hanem a szívócsőbe permetezték, szabályozott módon.
Szintén egyszerű módja volt az olajozásnak a szóróolajozás: a hajtórúd alsó vége kanalazta fel az olajat, ami azután a dinamikus hatások miatt eljutott a szükséges helyekre.
Ma legelterjedtebb az un. nyomóolajozás: egy (vagy két) szivattyú különböző csatornákon oda nyomja az olajat, ahol kenésre van szükség (forgattyústengely, bütykös tengely, turbótöltő stb.). Szívattyú sokféle lehet, a képen olyan szárnylapátos szívattyú látható, melyben az - ECU által egy mágnesszelepen keresztül vezérelt - olajnyomás a gyűrűt elforgatja, ezáltal változik az excentricitás, azaz a szállítási mennyiség. De gyakran alkalmaznak fogaskerekű szívattyúkat is.
Az alsó bal oldali ábrán a fogaskerék-szivattyú egy (sárga) szűrőn keresztül nyomja az olajat a fővezetékbe, majd onnan a kenendő helyekre, illetve valamilyen jeladóhoz, ami figyelmeztet az olaj-rendszer esetleges meghibásodására. A szűrőtől balra lévő szelep határolja az olajnyomást. Van egy szelep a szűrővel is párhuzamosan kötve arra az esetre, ha a szűrő túlságosan elszennyeződik: inkább menjen szennyezett olaj, mint semmilyen. Ugyanitt van egy biztonsági szelep is a visszavezetésre, s van egy a bütyköstengely felé menő vezetékben is. A motorból egy második szűrőn keresztül jut az olaj vissza a teknőbe.
Különösen terepjárók esetében alkalmazzák az un. szárazteknős olajozást (jobb oldali ábra): a teknő (karter) aljából egy második szivattyú állandóan átszívja az olajat az olajtartályba. Itt egy olajhűtőt is láthatunk, amit egyébként gyakran beépítenek nem csak terepjárókba is.
Folyt. köv.