Gyorskeresés

Dugattyús robbanómotorok fajtái 6959

Minden olyan motorban, hajtóműben, ahol az üzemanyag elégetése révén felszabaduló termikus energiát munkavégzésre fogjuk, ugyanazok a fő folyamatok, lépések zajlanak:

  • az oxigént biztosító levegő vagy az üzemanyag-levegő keverék bejuttatása az égéstérbe (beszívás)
  • a levegő bvagy az üzemanyag-levegő keverék sűrítése, összepréselése, kompressziója (annak érdekében, hogy majd a nagy tágulás miatt sok munkát tudjon végezni)
  • az üzemanyag begyújtása (vagy szikrával vagy öngyulladás révén, vagy az égéstérben lbent évő, égő üzemanyag által)
  • az égés során felszabaduló hő miatt felforrósodó és nagy nyomásúvá váló égéstermék kitágulása, ennek során a munkavégzése (ami a célja az egésznek)
  • az égéstermék eltávozása az égéstérből (kipufogás)

Igen sokféle elrendezés alakult ki, nézzük csak a legfontosabbakat!
 

Kétütemű benzinmotor

A kétütemű benzinmotorban a dugattyú egyetlen fel-le mozgása (vagyis a főtengely egyetlen fordulata, periódusa) alatt lezajlik minden fent tárgyalt lépés:

Figyeljük meg, ahogy a sárga pöttyökkel szimbolizált friss benzin-levegő keverék egy része az égéstérbe bejutáskor mindját "túl is szalad", vagyis a piros pöttyökkel szimbolitált forró égéstermékkel együtt eltávozik a kipufogógázban. 

A kétütemű benzinmotor előnyei:

  • a motor tömegére vonatkoztatott leadott teljesítménye nagy (vagyis a "hány wattot, lóerőt ad le 1 kg-nyi motor" fajlagos teljesítmény mutatószáma nagy)
  • egyszerűbb felépítés (nincs külön motorolaj, hanem a benzinbe kevert olaj végzi a mozgó alkatrészek kenését)
  • alacsony meghibásodás; egyszerűbb karbantartás, javítás

Hátrányai:

  • az égéstermékkel "kisodródó" benzin-levegő keverék miatt magasabb üzemanyagfogyasztás
  • nagyobb környezetszennyezés: mert a légkörbe kerül (elégetlenül) az üzemanyag egy része (a benzinben lévő aromás vegyületek miatt kellemesebb, "illatos" is a kipufogógázuk)
  • nagyobb környezetszennyezés: mert a benzinbe kevert kenőolaj módszer miatt több olajat "zabálnak"
  • kisebb nyomaték
  • nagyobb zaj

Mindezek alapján a kétütemű benzinmotor manapság már viszonylag ritka, csak ott használjűk, ahol nagyon fontos, hogy a kis tömegű motor nagy teljesítményt tudjon leadni, például kézi láncfűrészekben és versenymotorcsónakokban (kétütemű benzinmotorja volt a szocialista nagyipar büszkeségeinek, a Trabant és Wartburg személyautóknak is).

Az égés nélkül távozó üzemanyag problémáját úgy csökkentette a STIHL cég a 2-MIX nevű továbbfejlesztett kétütemű láncfűrészmotorjainál, hogy a beszívás-kipufogás folyamat során egy külön csatornán, a benzin-levegő keverék (az animáción zöld színű) előtt sima levegőt (kék színű) juttat az égéstérbe, ami "kifújja" az égésterméket, így az égéstermékkel együtt ennek a plusz levegőnek egy része fog kipufogni, nem pedig a benzin:

 

Négyütemű benzinmotor (Otto-motor)

A négyüzemű benzinmotor ideális körfolyamata:

A négyütemű benzinmotor ütemei:

1. ütem (\(0\to 1\)) szívás
a dugattyú beszívja a benzin-levegő keveréket (pontosabban a külső légnyomás benyomja a tágulás miatt lecsökkenő nyomású égéstérbe)

2. ütem (\(1\to 2\)) összenyomás (kompresszió)
az összenyomás a magas fordulatszám miatt viszonylag hirtelen történik (például percenkénti 3000-es fordulatszámnál egy századmásodperc alatt), így közelítőleg azt mondhatjuk, hogy nincs idő hőcserére a környezettel, vagyis a folyamat adiabatikus. A benzin-levegő keverék nem nyomható össze nagyon nagy nyomásra, mert magától begyulladna, esetleg már a felső holtpont előtt (ez a "kopogás", ami nemcsak azért kerülendő, mert hatékonytalan, hanem mert roppant nagy terhelést jelent az érintett alkatrészek számára, amitől azok hamar tönkre mennek). Úgy szokás eztfogalmazni, hogy a benzin "nem nagyon bírja a kompressziót".

\(2\) a szikragyújtás pillanata
Elektromos szikra gyújtja be az éghető elegyet. Mivel a benzin a levegőben nagyon gyorsan elég, ezért a gyors égési időtartam alatt a dugattyú szinte nem mozdul el, vagyis  a\(V\) térfogat állandó az égés során: ez egy függőleges szakaszt jelent a p-V síkon (2-3). Tehát a körfolyamat görbéjén a rendszer nem "egyenletes sebességgel" halad!

3. ütem (\(3\to 4\))  munkavégző szakasz (kitágulás)
a forrró égéstermék kitágul; ez hajtja az utókat

\(4\to 1\) szakasz
izokór lehűlés (ez csak a valódi körfolyamat speciális folyamatokkal közelítése miatt van, fizikai jelentése nincs)

4. ütem (\(1\to 0\)) kipufogás
a dugattyú kitolja az elhasznált (az energiája jó részét már munkavégzés formájában elveszített) égésterméket

Ezután a folyamat indul előről.

A négyütemű benzinmotor valódi diagramja:

 

Dízelmotor

A dízelmotor az üzemanyagán túl abban különbözik a 4-ütemű benzinmotortól, hogy itt a beszívás során nem üzemanyag-levegő keverék kerül az égéstérbe, hanem csak levegő, ami a sűrítés (kompresszió) során annyira felforrósodik, hogy a befecskendezett gázolaj már a forróságtól meggyullad (öngyulladás, szikra nélkül; a dízelmotorokban is van gyertya, de az nem szikrát ad, hanem izzítógyertya, ami a téli hidegen előmelegíti az üzemi hőmérsékletre a motort). A gázolaj elégése nem hirtelen, robbanásszerűen zajlik, mint a benziné, hanem lassabban. Ennek előnye, hogy a dugattyú kifelé haladása közben még zajlik a hőtermelés, így bár a tágulástól az égéstermék hőmérsékletének és nyomásának alapvetően csökkennie kellene, viszont az elnyúló hőfelszabadulás egy darabig fenntartja a nagy nyomást, ez látszik a \(p\thinspace \unicode{2013} \thinspace V\) diagramon a \(2\to 3\) szakaszon. Ennek következtében a munkavégző \(2\to 4\) szakaszok görbe alatti területe végül nagyobb lesz, mint a benzinmotoroknál, vagyis a dízelmotor több munkát végez, jobban hasznosítja az üzemanyagot. A dízelmotor idealizált karakterisztikája:

Itt a 2-es pillanatban történik az üzemanyagbefecskendezés.

A dízelmotor valódihoz közeli karakterisztikája:

A dízelmotorok jobb hatásfoka a benzinmotorokhoz képest amiatt van, mert a kompressziókor nagyon nagy mértékben sűríti össze a levegőt (a beszíváskori térfogathoz képest 12-15-ször kisebb térfogatra), ezért nagyobb úton zajlik a tágulási szakasz, márpedig a munkavégzés nemcsak a tolóerőtől, ahnem az erővel párhuzamos elmozdulástól is függ:

\[W=F\cdot s_{\parallel}\]

Miért nem alkalmaznak akkor ilyen nagy kompressziót a benzinmotoroknál? Mert a benzin-levegő keverék ilyen nagy összenyomás esetén a felforrósodástól öngyulladással berobbanna, már a dugattyú felső holtpontja előtt. A felső holtponton befecskendezett benzin pedig túl gyorsan égne el, úgy, hogy közben nem lenne ideje elmozdulni a dugattyúnak, így az égéstér nyomása nagyon megnőne. A dízelmotorok ezért drágábbak, mert nagyobb nyomáson működnek, ezért erősebb szerkezetűre kell építeni őket.

Sajnos a magasabb termodinamikai hatásfok, kisebb üzemanyagfogyasztás, így kevesebb szén-dioxod-kibocsátás mellett a dízeleknek komoly hátránya, hogy amagda hőmérsékleten a levegő oxigén- és nitrogéntartalma reagál egymással,így nitrogén-oxidok jönnek létre, amik az élővilág számára káros anyagokat jelentenek. tehát az alacsonyabb szén-dioxid-kibocsátás nem az egyetlen komponense a környezetszennyezésnek.