A belső égésű motorok hatásfoka

Az utóbbi években mindinkább teret hódít az alternatív hajtású személygépkocsik csoportja, és az egyik leggyakrabban elhangzó érv a villamos motorok mellett, hogy jelentősen jobb hatásfokkal üzemelnek belső égésű motoros társaiknál.

A benzinnel és gázolajjal működő erőforrások hatékonyságát megjelenésük óta próbálják javítani, ám a hátrány még ma is tetemes. Az alábbi cikkben részletesen elemezzük, hogy milyen elemekből áll össze a belső égésű motorok vesztesége, és hogy milyen megoldásokkal igyekeznek kompenzálni azokat.

A motor paraméterei

A belső égésű motor egy hőerőgép, melynek feladata, hogy a kapott hajtóanyag fűtőértékéből a lehető legtöbbet mechanikai munkává alakítson, melyet aztán a hajtáslánc felhasználhat a jármű gyorsításához, illetve sebességének tartásához, valamint a segédberendezések működtetéséhez.

A paraméterek két külön csoportra oszthatók: geometriaira és energetikaira – ezek természetesen kapcsolatban vannak egymással. Ezek összessége adja meg, hogy az adott motor milyen teljesítményre képes: a dugattyú átmérője (D), a dugattyú lökete (s), az ütemszám (n), a hengerek száma (z) és a motoron átszivattyúzott levegő nyomása (p). Ezek összességét az alábbi képlettel fejezhetjük ki:

P = (D²π)/4 ∙ s ∙ z ∙ 0,5n ∙ p

Amennyiben minden fenti adat a rendelkezésünkre áll, a motor teljesítménye könnyedén kiszámítható, ám egy adott motor fő adatainak meghatározása csak bizonyos körülmények között lehetséges.

Feltűnő a képletben az ütemszám melletti 0,5-ös érték. Ez egy kompenzáció a négyütemű motorok számára. Kétütemű változatok esetén minden fordulatra jut egy munkaütem, így elvileg kétszeres gázmennyiséget dolgoz fel az erőforrás, tehát a teljesítmény is kétszeres. Hatásos lökete azonban alig több mint a fele a geometriai löketnek, ezért nem csak a hatásos lökettérfogat kisebb a számítottnál, de a valóságos sűrítési arány, ezáltal az energia transzformációjának hatásfoka is kedvezőtlenebb lesz.

Fontos pont még a sokat emlegetett furat/löket arány, melyet a fenti képlet nem érzékeltet. Mivel a fordulatszám növelésével hatásosan növelhető a motor teljesítménye, kompenzációként ígéretes megoldás a hengerfurat növelése a lökethossz ellenében, ezáltal a furat/löket arány növekvő irányba történő eltolása, hiszen kimutatható, hogy ezzel az egységnyi űrtartalomra eső teljesítmény egyébként is nagyobb lesz.

A furat méretét azonban nem lehet a végtelenségig növelni: minél inkább emelkedik ez az érték, annál kedvezőtlenebb alakúvá válik az égéstér, mely egyre rosszabb hatásfokú égéshez és kopogási hajlamhoz vezet.

A hengerszám szintén hatással bír a teljesítményre: ha ugyanazt a lökettérfogatot több kisebb méretű henger adja, hatékonyabb lesz a töltés, kedvezőbb a hőmenedzsment, cserében viszont megnőnek a súrlódási veszteségek, mely mind a hatásfok, mind pedig az emissziós jellemzők romlásához vezet.

Hatásfok fogalmak

A belső égésű motorok veszteségeit két nagy csoportra osztjuk: belső és külső veszteségekre – ezek összege adja meg azt az értéket, ami leírja, hogy a motor a tüzelőanyag fűtőértékének mekkora hányadát nem volt képes a hajtásláncba juttatni.

A belső veszteségek közé azokat az elemeket soroljuk, melyek a motorban lejátszódó nem megfordítható folyamatok következtében jönnek létre. A belső veszteségek a munkaközeg áramlása, súrlódása, örvénylése, ütközése, a környezettel való hőcsere, a tömítetlenségek és egyéb veszteségek következtében keletkeznek – ezek mindegyike áramlási és termikus eredetű.

A külső veszteségek azok a ciklusmunka-csökkentő tényezők, melyeknek nincs befolyása a munkaközeg állapotára. Lényegében ezek a mechanikai, azaz súrlódási veszteségek és a segédberendezések üzemeltetése miatt elveszített teljesítmény.

Hogy ezek mértéke mekkora, annak szemléltetésére F. A. F Schmidt munkásságát használjuk fel:

Mivel a veszteség közelítőleg 69%, a motor effektív hatásfoka 31%. Ez természetesen csak egy általános érték, és azon belüli arányokat jelöl a táblázat.

A táblázatból is kiderül, hogy a legnagyobb veszteséget az üzemanyag termikus hasznosításánál szenvedi el a motor. Ezt a termikus hatásfok jellemzi, melyet a következő képlettel számolhatunk ki:

η_t = (W₀ ∙ β_α) / (B ∙ H_i)

ahol:

• W₀ – az elméleti munka
• β_α – a valóságos munkaközeg reakcióinak hatásfokcsökkentő hatása
• B – az elméleti munkához tartozó tüzelőanyag fogyasztás
• H_i – az üzemanyag fűtőértéke

A jósági fok a különbséget mutatja meg az elméleti és a valóságban lejátszódó körfolyamat között:

η_j = W_i / W₀

ahol:

• W_i – az indikált munka
• W₀ – az elméleti munka

Az indikált hatásfok az indikált munka és a bevezetett hő hányadosa, ugyanakkor megfelel a termikus hatásfok és a jósági fok szorzatának is:

η_i = η_t ∙ η_j

A motor forgattyústengelyén mért tényleges teljesítmény (P_e) viszonya az indikált teljesítményhez (P_i) a mechanikai hatásfokot adja:

η_m = P_e / P_i

Ez a képlet ugyanúgy helytálló az effektív és indikált munkával, valamint nyomással is.

Ha a motor főtengelyén megjelenő munkát vagy teljesítményt a tüzelőanyaggal bevitt hővel vetjük össze, az effektív hatásfokot, más néven gazdasági hatásfokot kapjuk

η_e = W_e / W_o

Ez az az érték, mely a motor összes veszteségét kifejezi, így ez jelenti a motor összhatásfokát:

η_e = η_t ∙ η_j ∙ η_m

A gyakorlati értéke benzinmotoroknál 0,25-0,35, dízelmotoroknál 0,28-0,42.

Hatásfoknövelés

Fontos megjegyezni, hogy minden üzemállapothoz külön hatásfok tartozik – némelyik fordulatszámtartományban a fent említettnél sokkal rosszabb értékekkel is találkozunk. Ezért számos törekvés tűzte ki célul, hogy a lehető leghatékonyabb üzemállapotokra korlátozza a belső égésű motorok működését (például hibrid hajtások).

Szintén jelentős hatásfok-növekedéssel jár a turbófeltöltő alkalmazása, hiszen az eszköz veszteséghőt, illetve a kipufogógáz lendületét hasznosítja a töltési fok növeléséhez, mely a turbó nélkül a környezetbe távozna.

A legmodernebb rendszerek, mint például a Forma-1-es erőforrások, manapság elérik az 50%-os hatásfokot, ám ennél feljebb egyelőre nem jutott senki személygépkocsi méretben, és ez még mindig szerény a villamos motorok 80-90%-os, vagy afeletti hatásfokához képest.