A belső égésű motorok feltöltésének gyakorlati korlátai

A dugattyús motorok feltöltött változatai az utóbbi évtizedekben (elsősorban az emissziós normáknak szigorodásának köszönhetően) nagymértékben elterjedtek a közutakon, de már a 80-as években jelentős mértékben keresték a belső égésű motor ilyen irányú feltöltésének lehetőségeit a gyakorlatban, nem szólva a korábbi mechanikus elődökről.

Arról azonban ritkán esik szó, hogy a teljesítmény fokozásának ezen módszerével meddig lehet, vagy meddig érdemes elmenni, illetve hogy milyen fizikai akadályokba ütközünk bizonyos teljesítmény-tartományokban.

Ebben a cikkben a motorok feltöltésének akadályozó tényezőit, gyakorlati határait mutatjuk be.

A feltöltés lényege és célja

Bármilyen feltöltési típusról is legyen szó négyütemű és öblített kétütemű belső égésű motorok esetén, az elérendő cél mindig ugyanaz: a töltet mennyiségének, ezáltal a motor teljesítményének a növelése.

A szívómotor annyi levegőt képes bejuttatni a hengertérbe egy adott ütem alatt, amennyit a dugattyú által képzett vákuum képes beszívni a levegőszűrőn és a szívószelepen át, amikor szívási ütemben lefelé mozog. Ez egy korlátos mennyiség, és a bejuttatható üzemanyag mennyiségének (legyen szó benzinről vagy gázolajról) ez egy jelentős korlátot szab.

Azonban ha képesek vagyunk növelni a bejuttatott levegő mennyiségét, azzal az üzemanyag mennyiségi határa is arányosan kitolódik felfelé.

Fontos megjegyezni, hogy a feltöltés célja minden esetben az adott motor fordulatszám-növelés nélkül történő teljesítmény-növelése. Ugyanis mind a feltöltés, mind pedig a fordulatszám emelkedése növeli az időegység alatt a hengerbe jutó töltet mennyiségét, arányosan növelve ezzel a belső égésű motor teljesítményét.

A jelenleg ismert összefüggések szerint a motor teljesítménye a dugattyú felületéből, a hengerek számából, a motor ütemszámából, illetve a dugattyú középsebességéből számítható.

Egy meglévő motornál a hengerszám, a dugattyú felülete (és a képletből kiiktatható lökethossz) is adott, így a maradék paraméterrel lehet csak teljesítményt növelni.

Ha a fordulatszám növelését választjuk, számolnunk kell azzal, hogy a tömegerők okozta igénybevételek a fordulatszám emelkedésével négyzetesen nőnek, a motor gazdaságossága pedig romlik. Az effektív középnyomás (ami a lökethosszal a középsebességet adja) feltöltéssel való növelése esetén a gázerők lesznek nagyobbak. Ám utóbbi esetben a terhelés emelkedése legfeljebb lineáris összefüggést mutat a töltet nagyságának emelésével.

Sok egyéb paraméter mellett ez volt az egyik indoka annak, hogy a közúti közlekedés ebbe a technológiai irányba ment el. Ez persze nem jelenti azt, hogy a motor teljesítménye feltöltéssel végtelen módon növelhető.

A töltőlevegő nyomás, hőmérséklete és a kopogási határ közötti kapcsolat

A feltöltés maximális mértékét általában a termikus igénybevétel, a gazdaságossági szempontok és az alkatrészek mechanikai igénybevétele határozza meg – ebből adódóan természetesen a mindenkori technológiai fejlettség folyamatosan kifelé tolja ezt az értéket.

Benzinmotoroknál a feltöltés mértéke elsősorban a kopogási határtól függ, ugyanis a kopogási hajlamot a hengerben lévő nyomás- és hőmérséklet-növekedés okozza.

Fontos hozzátenni, hogy a kopogási határ esetén összefüggés van a beszívott levegő nyomása és a hőmérséklete között. Ha a levegő hőmérséklete magas, akkor a kopogást a nyomás csökkentésével kerülhetjük el, és fordítva.

Jelentős befolyással bír az üzemanyag minősége: a mai ólmozatlan, rengetegféle adalékkal ellátott benzinek jellemzően sokkal jobban viselik a kopogáshatár körül üzemeltetést, és a határ is magasabban helyezkedik el, mint korábban.

Egy lényeges korlát a kopogás okozta limitálásnál az előgyújtási szög. Nagy teljesítmény, hogy a kopogásos égést elkerüljük, csökkenteni kell az előgyújtást. Azonban ez megnöveli a motor fajlagos fogyasztását, így a motor alkalmazási területétől függően kompromisszumot kell kötnünk a két paraméter között.

A töltőlevegő hőmérséklete ugyancsak függ az előgyújtási szög nagyságától. Az előgyújtás csökkentése nagyobb töltőlevegő hőmérsékletet enged meg anélkül, hogy a motor elérné a kopogási határt.

A sűrítés és a kopogási határ kapcsolata

Nem árulunk el nagy titkot azzal, hogy az elérhető sűrítési arány elsősorban a hajtóanyag kompressziótűrésétől függ. Ahogy a sűrítési arányt növeljük, azzal a sűrítési végnyomás és a sűrítési hőmérséklet is jelentős mértékben nő. Ennek köszönhetően a kopogási hajlam is fokozódik.

A légviszony és a kopogási határ kapcsolata

Elsőre talán meglepőnek hat, de a légviszony megválasztása is befolyással bír a kopogási hajlam mértékére – és egyúttal a feltöltéssel, kopogás nélkül elérhető legnagyobb teljesítményre is. Szintén érdekes, hogy a kopogási hajlam pont akkor a legnagyobb, amikor a legközelebb vagyunk az ideális, azaz sztöchiometrikus keverési arányhoz. Minél inkább távolodunk ettől, akár a dús, akár a szegény keverék irányába, annál kevésbé lesz hajlamos a motor a kopogásra, tehát az 1-es lambda értéktől távol nagyobb mértékű feltöltés valósítható meg.

Hőterhelés a motorban

Nem a kopogás az egyetlen jelenség, amely korlátozza a feltöltés mértékét. Hasonlóan gátat szab ennek a motor, kiváltképp a dugattyúk és a szelepek hőterhelése. Mivel mind a hűtési rendszere, mint a motorok mechanikai kialakítása merőben eltérhet egymástól, általános következtetés nem vagy nehezen vonható le, ráadásul a kopogás jelensége jellemzően hamarabb gátat szab a feltöltésnek, mint a hőterhelés.

Ugyanakkor ez nem jelenti azt, hogy a kettő között ne lenne kapcsolat: a hőterhelés fokozódása a kopogási hajlamos is növeli, hiszen a lokálisan vagy egészében túlmelegedett égéstér elősegíti a rendellenes égési folyamatok létrejöttét.

Az általános megoldás az intenzívebb átöblítés, melyet többnyire nagyobb szelepösszenyitással érnek el. Ezen túl sikerrel alkalmaznak folyadékbefecskendezéses hűtési megoldásokat is (pl. víz).

Dízelmotorok

Ennél a motortípusnál az égést a töltőlevegő hőmérséklete a gyakorlatban szokásos határokon belül érdemben nem befolyásolja kedvezőtlenül, tehát a feltöltést sem korlátozza. Az égés tekintetében a levegő hűtése nem szükséges.

Ugyanakkor a dugattyú és a szelepek hőterhelése növekszik, ami végül mégis gátat szab a feltöltés mértékének. A mechanikai terhelést a gyakorlat számára a hengerben mért legnagyobb gáznyomás, vagyis az égési csúcsnyomás a meghatározó paraméter.