Forrás : Belsőégésű Motorok Tervezése című könyv

A BELSŐÉGÉSŰ MOTOROK TÖLTETCSERÉJE. A TÖLTETCSERE-FOLYAMAT VEZÉRLÉSE

A belsőégésű dugattyús motorok a periodikusan működő gépek csoportjába tartoznak, amelyeknek folyamatos munkavégzése úgy jön létre, hogy a munkaközeg meghatározott mennyiségben és időben beáramlik és a munkavégzés után eltávozik a motorból. Ezt az ütemesen ismétlődő folyamatot nevezzük töltetcserének, amely a hengerek töltését és ürítését jelenti. Ennek azonban úgy kell végbemennie, hogy a kipufogó gáz lehetőleg maradék nélkül eltávozzék a hengerből és az friss töltettel teljesen kitöltődjék. A töltetcsere-folyamat tökéletességétől nagyban függ a motor jósági foka és ezzel együtt teljesítménye is.

A folyamatok a motor működésmódja, sőt fajtája szerint is eltérők lehetnek. Abban azonban megegyeznek, hogy magát a töltetcsere-folyamatot, a töltési és ürítési folyamat kezdetét és végét vezérelni kell. Ez a töltetcsere folyamat vezérlése, amely a vezérlőmechanizmus által valósul meg. A leggyakrabban alkalmazott megoldás - elsősorban négyütemű motoroknál - az, amikor az átáramlási keresztmetszeteket kúpos ülésű szelepek teszik szabaddá. A legegyszerűbb pedig az, amikor a hengerfal oldalán levő réseket a hengerben mozgó dugattyú nyitja és zárja. E megoldással főként kis kétütemű motoroknál találkozhatunk, mivel külön vezérlőszerkezetet nem igényelnek. Ha a rések tolattyúkon vannak, akkor igen gyors keresztmetszetnyitásokat és -zárásokat érünk el. A tolattyúk többféle kivitelűek lehetnek: pl. forgó mozgást végző sík- és hengeres tolattyúk, valamint alternáló mozgást végző hengertolattyúk. Tolattyúkkal vezérelt töltetcserét két- és négyütemű motoroknál egyaránt lehet alkalmazni. Elsősorban kenési és a hőtágulás következtében fellépő illesztési problémák szabnak gátat elterjedésének.

A négyütemű motorok szelepvezérlése

A töltetcsere a négyütemű motorban két ütem (löket) alatt megy végbe. A friss töltet (benzin-levegő keverék, ill. levegő) kúpos ülésű szeleppel zárható beömlőcsatornán keresztül, a dugattyú szívó hatása vagy a töltőlevegő nyomásának hatására jut a hengerbe. Az égési folyamat lezajlása után az égéstermék ugyancsak szeleppel vezérelt kipufogócsatornán át távozik (1. ábra).

Mivel egyetlen olyan konstrukció sem létezik, amelynél az átáramlási keresztmetszeteket azonnal nyitni és zárni lehetne, továbbá az áramló gázoknak kinetikai energiájuk van, a szelepek nyitási és zárási időpontjait ennek figyelembevételével kell megállapítani.

Ezért az ún. vezérlési diagramot (2. ábra) és az indikátordiagramot (3. ábra) a dinamikai hatások figyelembevételével együtt kell értékelni.

A meggondolásokat a kipufogószelep nyitásával (K. ny.) kezdve: az időpontot úgy kell az alsó holtpont (AHP) előtt megállapítani, hogy egyrészt a sűrítési ütemből kevés vesszen kárba ( V1 terület az indikátordiagramon), másrészt a hengerben a nyomás lehetőleg gyorsan lecsökkenjen.

1. ábra
Töltetcsere megvalósítása a motorban, ahol
É égéstér; H szelepmozgató himbák; K kipufogószelep; Sz szívószelep;
SzV szelepvezető hüvely; V vezérműtengely (bütykös tengely)

Mivel a kipufogószelep nyitásának első fázisában ( a kritikus nyomásviszony felett ) az átáramló gázmennyiség független a hengerben uralkodó nyomástól és csak a szabaddá tett keresztmetszettől függ, a szelepet meglehetősen korán kellene nyitni, amely azonban a kipufogószelep hőterhelését igen megnövelné (különösen, ha a nyitás lassú). A legkedvezőbb kipufogószelep-nyitási időpont megállapítása szempontjából nem az alsó holtpont előtti forgattyúszög értéke a mértékadó, hanem a 2.ábrán látható G felület nagysága.

Ha a nyitási keresztmetszet gyorsabban növekszik a szelepnyitás pillanata közelebb kerülhet az alsó holtponthoz.

- A kipufogószelep zárása (K. z.) sem fejeződhet be a felső holtpontban, mert a gázok kinetikai energiáját a gyorsan csökkenő keresztmetszet ellenére is maximálisan ki kell használni.

- A szívószelep nyitása (Sz. ny.) a felső holtpont előtt történik, mert a szívószelep átömlési keresztmetszete kezdetben csak lassan növekszik, továbbá a távozó kipufogó gázok szívó hatását is ki lehet használni.

Azt az időt, amíg a szívó- és kipufogószelep is nyitva van, szelepösszenyitásnak (átfedés) nevezzük. Azoknál a motoroknál, amelyeknek üzemi fordulatszám-tartománya szűk, továbbá csak levegőt szívnak be (dízel- vagy benzinbefecskendezéses motor), az Ő terület akkora lehet, hogy a kipufogó gázok eltávolítása az égéstérből maradéktalanul megtörténjen. Széles fordulatszámmezőben üzemelő motorokban az összenyitás nem lehet nagy, mert kis fordulatszámon a kipufogó gázok a szívócsőbe nyomulnak, és a szívás során a friss töltettel keveredve azt hígítják. Különösen érvényes ez a többhengeres motoroknál, ahol nem minden henger jut azonos összetételű friss keverékhez.

A felső holtpont után a beömlő keresztmetszetnek nagynak kell lennie azért, hogy a viszonylag kis ( ) nyomáskülönbség hatására is jó legyen a henger töltése. Mivel a kipufogás egy része nagy nyomáskülönbséggel megy végbe, a kipufogószelep kisebb lehet, mint a szívó.

Amikor a dugattyú a geometriai szívási ütem végén az alsó holtpontot eléri, a szívószelep még nyitva van, -hiszen az áramló gázok kinetikai energiájuk révén tovább töltik a hengert. A szívószelepet csak akkor kell bezárni, amikor a felfelé haladó dugattyú a gázokat már vissza akarja tolni a szívócsőbe. Itt ismét nem a szelepzárás (Sz. z.) szöghelyzete a lényeges, hanem a 2.b ábrán látható H terület nagysága. Ha a vezérlési keresztmetszetek görbéje meredekebb (nagyobb méretű szelep), a szelepzárás időpontja is közelebb kerülhet az alsó holtponthoz.

2. ábra
Négyütemű motor vezérlési diagramjai

2.a ábra) vezérlési kördiagram a forgattyú elfordulásának függvényében;
2.b ábra) kiterített szelepnyitási (átömlési keresztmetszet) diagram; K kipufogószelep; S. szívószelep; K ny. kipufogószelep nyit; K z.. kipufogószelep zár; Sz ny. szívószelep nyit; Sz z. szívószelep zár; G alsó holtpont (AHP) előtti kipufogószelep szelepnyitásiidő-keresztmetszet; H az AHP utáni szívás időkeresztmetszet; Ő szelepek összenyitásának időkeresztmetszete a felső holtpont (FHP) környezetében; 1, 2 változó szívószelepzárás jelölése; h_1,2 szelephézag

Kísérleti motoron - amelyen a szelepek zárásának és nyitásának időpontja változtatható volt - megállapították, hogy széles fordulatszámmezőn belül csak a szívószelep zárása befolyásolja lényegesen a motor legnagyobb teljesítményét (és az ehhez tartozó fordulatszámot) és ezzel a motor rugalmassági (elsősorban fordulatszám-rugalmassági) viszonyait (3b ábra).

..

3. ábra
A töltetcsere vezérlési idejének hatása a motor működésére

3.a ábra) az indikátordiagram a szelepek nyitásának és zárásának a bejelölésével; a kipufogószelep alsó holtpont előtti nyitása miatti veszteség; veszteség a kipufogórendszer ellenállása miatt; kipufogási nyomás; szívási nyomás

3.b ábra) a szívószelep zárási idejének hatása a motor jelleggörbéire; 1 korábbi; 2 késleltetett szívószelepzárás

A vezérlés adataira tapasztalati adatok vannak, de töltetcsere-számítással ma már nagyon jól szimulálható a szelepnyitási és -zárási értékek hatása, és jó közelítéssel megtervezhető kísérletek nélkül is az optimum.

A vezérlési szögek a 1 táblázatban közölt határok között változnak a kivitelezett négyütemű benzin- és dízelmotoroknál.

1.táblázat. A szívó- és kipufogószelepek nyitási és zárási szélső szögértékei a forgattyústengely elfordulási szögében mérve

1. Táblázat

Az általánosan alkalmazott, "rögzített" vezérlési szögek járműmotoroknál - amelyek széles fordulatszám- és terhelésintervallumban dolgoznak - csak egy meghatározott fordulatszámon adnak optimális körülményeket. Ettől eltérő esetben ugyanis változnak a töltetcsere feltételei. A szelepek nyitását és zárását a vezérlőbütykökkel ellátott tengely(ek) vezérli(k). A bütyköstengely így funkcióját tekintve vezértengely (vezérműtengely). Mi a továbbiakban az utóbbi, általánosabb megnevezést használjuk.