3. rész: Vezérlés és töltetcsere II.
Írta: Dáloki Gergely (Geree)
Akkor egy kicsit merüljünk el egy kicsit a részletekben!
A szívási ütem végén, az alsó holtpontot követően 20-80°-kal zár a szívószelep, tehát szélső esetben már a sűrítési ütem felénél tart a dugattyú, mikor lezár a szívóoldal. Ennek a magyarázata a gázok tehetetlenségében keresendő. Bár a gázok sűrűsége (~1-2kg/m3) nagyságrendileg sem vethető össze a szilárd vagy a folyékony anyagokéval (~700-14600kg/m3), de mégis van nekik tehetetlenségük, ami a tömeggel (sűrűség x térfogat) és a sebességgel arányos. Alacsony fordulaton nem igazán van a gázoknak mozgási energiája, tehát szinte azonnal az alsó holtpontban már lezárhat a szívószelep. Viszont - az egyszerűség kedvéért - 6000-es fordulaton másodpercenként 100x fordul körbe a főtengely, tehát egy hengerben 50x zajlik le minden ütem. Vagyis amíg a dugattyú az egyik holtpontból a másikba ér, 5 ezred másodperc telik el. És innentől már belegondolhatunk, hogy szerencsétlen gáz mit él át... Számszerűen: egy négyhengeres 2000-es motort alapulvéve, egy henger térfogata 500cm3, plusz a hengerfejben kialakított égéstér térfogata. De mivel most nem is annyira a konkrét és pontos számok az érdekesek, inkább a nagyságrendek, így számoljunk az 500cm3-rel. Feltételezzünk nagyon jó hengertöltöttséget, legyen 0.8-szorosa a fizikai térfogatnak. Tehát 400cm3 gáznak kell 5 ezred másodperc alatt átáramlania mondjuk egy CVH motor 42mm-es szívószelepén, ami 10mm-t nyit maximumban. Jó hanyagolással élve, mondhatjuk azt, hogy nagyjából egyenértékű lesz az átömlési keresztmetszet, ha a szelepnyitás ideje alatt konstans 5mm-es nyitással számolunk. Ez gyors sietségben végzett számítások alapján 6cm2-es átáramlási keresztmetszetet jelent. Ha a 400cm3-t egy 6cm2 keresztmetszetű csőben helyeznénk el, akkor közel 67cm hosszú oszlop jönne ki. Ennek kell 5 ezred másodperc alatt átjutnia rajta. Vagyis ~134m/s (~480km/h) sebességgel áramlik el a gáz a szelepek mellett. (Persze figyelembe veendő, hogy a gázoknak fel is kell gyorsulniuk és le is kell lassulniuk, tehát az áramlás sebességmaximuma nagyobb is lehet a valóságban) Csak összehasonlításképp: ez akkora energia, amivel egy bő 2cm-es átmérőjű acélgolyó 100km/h-s sebességnél rendelkezik, vagy épp egy 6,35mm-es acélgolyó majdnem 300km/h-nál...
Ha ugyanezt a szívócsőben próbálnánk meghatározni, akkor vegyünk alapul egy nagy, kb. 4cm átmérőjű szívócsövet. Ennek a keresztmetszete ~12,5cm2. Vagyis csak fele olyan hosszú lenne a gázoszlop hossza is, így a szívócsőben lévő sebesség is csak felére, tehát CSAK 240km/h-ra jönne ki. És ha belegondolunk, hogy csak 6000-es fordulatnál szinte nulla idő alatt kell elérnie ezt a sebességet, tartania nagyjából 5 ezred másodpercig, megint szinte nulla idő alatt megállnia, majd pihenés 15 ezred másodpercig és kezdődhet minden elölről. Természetesen ilyen sebességek mellett a gáznak is idő kell, mire eléri ezt a sebességet és ugyanúgy idő is, mire lelassul. Ez igen erős gázlengést kelt, ami hatására létrejövő vákuum vagy épp plusz nyomás jelentősen befolyásolja a henger töltöttségét.
És akkor mindezek tükrében vizsgáljuk meg egy kicsit közelebbről még egyszer a vezérlés sajátosságait. A szívószelep nyitása a főtengely felső holtpontja előtt 0-30°-kal kezdődik. Ez az érték attól függ, milyen karakterisztikájú motort szeretnénk kapni. Ha kevésbé forgós, de az alján nyomatékosabbat, akkor inkább a 0° felé kell tartanunk ezt az értéket. Ha forgós motorban gondolkozunk, akkor ezt lehet növelni, de ez nagyon sokat ront kis fordulaton a teljesítményen, hiszen még mielőtt megkezdődhetne a szívás, akkor már kinyit a szívószelep és a felfelé jövő dugó visszanyomja a szívócsőben lévő gázokat a kipufogógázok egy részével együtt. És mire megindul a dugó lefelé, a szívócsőben lévő gázok már határozott sebességgel áramlanak - visszafelé. Tehát a dugónak kell akkora vákuumot kelteni, ami egyrészt megállítja az ellenkező irányú mozgást és elindítja jó irányba, valamint annyi gáz beszívását teszi lehetővé, hogy több teljesítményt nyerhessünk vele. Tehát könnyen ront sokat a helyzeten. Ha valaki egy olyan speciális felhasználású célmotort akar építeni, ami csak magas fordulaton fog működni, és abszolút nem érdekes, hogy 5000 alatt mi történik, az gondolkodhat nagyobb nyitási szögértékben. Egyébként a mindezen változókból következik, hogy egy meglehetősen széles tartományban üzemelő motort tervezni a legnehezebb, hiszen minden üzemállapot mást kívánna. Más szívócsőhossz, más vezérlési szögek, más keresztmetszetek, más hő- és mechanikai terhelés és persze így az élettartamra tervezés is sokkal összetettebb.
A szívási ütem az alsó holtpont után fejeződik be, itt mindenképp érdemes kihasználni a gázok tehetetlenségét. Vagyis azt az energiát, ami a gázokban rejlik az áramlás miatt. Ezt pedig úgy lehet, hogy az alsó holtpont után - amikor a dugattyú már felfelé jön ugyan - még nyitva lehet hagyni a szívószelepeket, hiszen a beáramló gázok nem tudnak azonnal megállni, amikor a dugattyú elindul felfelé. Azok még áramlanak tovább egészen addig, amíg a hengertérben lévő nyomás nagyobb nem lesz, mint a szívócsőbeli nyomás és a szívócsőbeli gázok mozgási energiája által okozott többletnyomás összege. Vagyis a hengerben lévő gázok az érkező gázok miatt komprimálódnak a kiegyenlítődésig. Minden körülmények és fordulatszámok között akkor tudjuk a legnagyobb teljesítményt nyerni, ha sikerül pont akkor zárni a szívószelepet, amikor ez a kiegyenlítődés megtörténik. Előtte is és utána is már csak kisebb teljesítményt nyerhetünk. Mivel a legegyszerűbb közúti motorok is elég jelentős fordulatszámhatárok között üzemelnek, ezért nyilvánvaló, hogy különböző tartományokban elég szélsőségesen fog változni a hatásfok és vele együtt a teljesítmény is. Sőt nagyon kedvezőtlen esetben még az is előfordul, hogy egy sportos vezérlés esetén, alacsony fordulaton a dugó a beszívott gázok akár 1/3-át is visszatolja a szívócsőbe, vagy az ellenkezője, egy alacsony fordulatú motor vezérlése esetén magasabb fordulaton még épp csak kezdődne a gázok beáramlása a hengertérbe és máris lezár a szelep. Ezt a problémát hivatott kiküszöbölni (egyrészt) a változó szelepvezérlés. Viszont itt felmerül a probléma, hogy kis fordulaton kevesebb szelepnyitási idő kell, szinte alig több, mint 180°, míg jóval magasabb fordulaton (8000ford/perc) akár 300°-os szelepnyitási értékek is kijöhetnek legkedvezőbbnek. Tehát nem elég csak a bütyköt elfordítani, annak az alakját is változtatni kellene. Meg lehet ezt is oldani, a Ferrari motorjában ezt úgy oldották meg, hogy a bütyök egyik vége volt a "gazdaságos", alacsony fordulatra tervezett bütyök, míg a másik vége a "sport" bütyök. És hát mi sem egyszerűbb (tényleg?), axiális irányban tologatták a tengelyt egy ferdén bordázott véggel, ami a tologatás közben még fordított is egy pár 10°-ot a tengelyen. Ugyanis különböző fordulatszámoknál máshová esik a szelepnyitás ideális maximuma. Alacsony fordulaton a felső holtpont után ~90°, míg magasabb fordulat esetén inkább ~110° az a legideálisabb szög, ahol a szelepnyitás eléri a maximumát. Számszerűbben: kisebb fordulatú motor esetén nagyjából 30°-kal kedvező a szívószelep zárása. Ez még nem okoz alapjáraton egyenetlenséget, de még 5000 körül is marad benne valamennyi használható erő. (Átlag vezető közül ki az, aki 5000 fölé kergeti a fordulatszámot?) Egy sportosabb motorhoz esetén már bátrabban hozzá lehet nyúlni az 50-60°-os szívószelep-zárási értékekhez. Ez egyértelmű nyomatékvesztést okoz kisebb fordulaton, de kellő plusz teljesítményt magas fordulaton. Szélső esetben akár 90-100°-os zárást is szoktak készíteni nagy hengertérfogatú, magas fordulatú motorok esetén, mivel ott már a gáz térfogata is nagyobb, a magas fordulat miatt a gázok sebessége is nagyobb, tehát jó nagy mozgási energiával lehet "játszadozni".
A felső holtpont előtt a szikra begyújtja a keveréket, ami tágulni kezd és munkát végez a dugattyún. A begyújtás pillanatában a hengertéri nyomás akár a 60bar értéket is eléri és a dugattyú lefelé történő mozgása miatt egyrészt nő a rendelkezésére álló térfogat, ami miatt csökken a nyomása, másrészt az adiabatikus állapotváltozás miatt csökken a gáz hőmérséklete is.
A kipufogószelep nyitásának a meghatározásnál a minden fordulatszámkori hengertéri nyomás a mérvadó paraméter. Úgy kell kialakítani, hogy mire a dugattyú elindul felfelé, a hengertérben már a lehető legkisebb legyen nyomás. Ha alacsony fordulaton túl hamar nyit, akkor a gáz nem végez elég ideig munkát. Ha magas fordulaton túl későn, akkor dugattyúnak kell komoly munkát végeznie a nyomás alatt lévő gáz hengertérből való kipréseléséhez. Utcai használatra a 30° holtpont előtti érték a bevált, sportosabb használatnál simán használatos a 60° körüli érték.
A kipufogószelep zárásának az érték-meghatározása szintén nagyon hasonló a szívószelep nyitási-érték meghatározásához. Pár fokkal a felső holtpont után zár, itt is a gázok mozgási energiáját használhatjuk fel azáltal, hogy a gázok még bőven áramlanak kifelé, amikor a dugattyú már nem olyan mértékben jön felfelé, sőt, röviddel a holtpont után már lefelé mozog, így kis időre vákuum keletkezik a hengertérben. Ezt a vákuumot lehet kihasználni a szívócsőben lévő gázok megindításához. És kezdődik minden elölről...
