A belső égésű motorok geometriai paraméterei

Nem csak a mérnökök, a konstruktőrök, hanem a felhasználók körében is gyakran emlegetett téma, hogy milyen főbb méretekkel kell rendelkeznie egy motornak ahhoz, hogy a lehető leghatékonyabb, legnagyobb teljesítményű, legjobb fogyasztással bíró hajtóegység legyen a kategóriában.

Ebben a cikkben betekintést engedünk az olyan alapvető motorkonstrukciós kérdésekbe, melyek alapján eldől a furat és a löket aránya, a hengerszám, vagy a hengerek elrendezése.

A hengerek száma és elrendezése

Személygépkocsik esetén, mivel a tapasztalatok lassan évszázados mértékűre nőnek minden gyártónál, kialakultak műszaki trendek, melyet a legtöbb konstruktőr csapat követ, ami a hengerszámot és az elrendezést illeti. Természetesen akadnak kivételek, melyekkel később foglalkozunk, és kitérünk a downsizing témakörére is.

Az általánosságban elmondható, hogy egyhengeres motort jellemzően nem alkalmaznak, és a múltban sem alkalmaztak személyautók meghajtására. Ennek több oka is van.

Egyrészt a hengerszám növelésével állandó lökettérfogat mellett is lehetőségünk van a teljesítmény növelésére. A kisebb alkatrészek könnyebben gyárthatók és üzembiztosabbak. Másrészt javulnak a hűtési viszonyok, mert a lökettérfogat a lineáris méretnövekedés harmadik hatványa szerint, míg a hűtőfelület négyzetesen növekszik. Ezen túl a forgattyústengely forgása annál egyenletesebb, rázásmentesebb, minél több henger kapcsolódik rá, valamint több henger esetén a lehetőségünk is több arra, hogy a motor külső méreteit befolyásoljuk különböző hengerelrendezésekkel, növelve ezzel a térfogatkihasználás hatékonyságát.

A hengerszám, mint döntő tényező a motor főbb méretei kapcsán

A hengerszám tehát jelentősen befolyásolja a motor végső kialakítását. A tervezés folyamata során a főméretek a literteljesítmény és a szükséges lökettérfogat kiszámításával meghatározhatók.

Fontos azonban megjegyezni, hogy a meghatározáshoz szolgáló kiinduló alapadatok felvételekor mindig figyelembe kell venni, hogy azok csak bizonyos feltételcsoportok betartása mellett teljesíthetők. Például nagy literteljesítményt csak nagy fordulatszámú és középnyomású motorral tudunk elérni.

Teljesítmény és hengerszám

A belső égésű motorok teljesítménynövelésének általános lehetőségei közül kettőt, a lökettérfogatot és a fordulatszámot közvetlenül befolyásolja a hengerek száma. Azonos lökettérfogat mellett, ha növeljük a hengerszámot, az lehetőséget ad a fordulatszám növelésére, egészen addig, amíg az a henger töltetcseréjét vagy az égésfolyamatot nem befolyásolja károsan.

Adódik a kérdés, hogy milyen mértékben nő a teljesítmény a hengerszám növelésével, és meddig növelhető a hengerszám.

Jelenlegi ismereteink szerint a motorteljesítmény változatlan lökettérfogat mellett a hengerszám köbgyökének arányában növekszik, a hengerfurat pedig ennek fordított arányában csökken.

Ebből levonhatjuk azt a következtetést, hogy minél tovább megyünk a hengerek számának emelésében, annál kevesebb extra teljesítményt tudunk kihozni a motorból. 10-12 henger felett már akkora mértékben nő az előállítás költsége, hogy gazdasági értelemben nem éri meg tovább növelni a hengerszámot.

Hasonlóképpen a közúton alkalmazott négyhengeres motorokat sem építik 2-2,5 literesnél nagyobbra, mert a növekvő dugattyúméretek a másodrendű tömegkiegyenlítetlenséget nagyobb fordulatszámon túl nagyra növelik. Hogy ez elkerülhető legyen, jelentős mértékben korlátozni kellene a maximális fordulatszámot.

Geometriai értelemben a négyhengeres motorok messze nem ideális konstrukciók, sokkal közelebb állnak ehhez a hathengeres változatok. A tömegkiegyenlítésük nem igényel korrekciót, rendkívül kulturált, egyenletes járás jellemzi őket. Általános értelemben azért nem terjedtek el soha, mert az előállítási költségük jóval magasabb – nem csupán 50%-kal. Ugyanis például a forgattyústengelyt sík helyett térben kell kialakítani, nagyobb számú csapágynak kell biztosítani az egytengelyűséget, stb.

Kompromisszumos megoldásként néhány gyártó (Volvo, Volkswagen, Mercedes, Audi, stb.) öthengeres motorokkal is előállt (bizonyos típusokban ma is fellelhető), mely bár nem olyan egyenletes járású, mint egy hathengeres, és az előállítási költsége magasabb egy négyhengeresnél, viszont mindkettővel szemben megvannak az előnyös tulajdonságai is.

Hengerelrendezés

Az autóépítés első évtizedeiben egészen elképesztő méretű és hengerszámú motorok is megjelentek az utakon: léteztek kereskedelmi forgalomban kapható 16 és 18 hengeres motorok is, majd az évszázad közepére ezek a monstrumok eltűntek, és a hengerszámok is jelentősen csökkentek. Alig volt erőforrás, amely 8 hengernél többel rendelkezett.

A sport- és izomautók, valamint a luxusjárművek a downsizing jelensége ellenére megtartották a 8, 10, és 12 hengeres motorokat, bizonyos gyártók (Bugatti) még a 16 hengert is visszahozták.

A hengerek elrendezésében viszont számos megoldás alakult ki, melyek közül a legfontosabbakat bemutatjuk:

Soros elrendezés

A legáltalánosabb, legősibb elrendezési forma. A legelterjedtebb forma ma is a soros négyhengeres kivitel, bár a downsizing miatt erősen feljövőben vannak a soros háromhengeres változatok. Az öthengeres motorok is általában ezzel a megoldással készülnek. A Grand Prix versenyautók még előszeretettel alkalmazták a soros nyolchengeres motorokat is, ám idővel ezek eltűntek, mert a hosszú forgattyústengely az időközben megnövekedett fordulatszámok miatt túlságosan hajlamos lenne a torziós rezgésekre.

Nagy előnye a könnyű hozzáférhetőség, az egyszerűbb karbantartás. A magasságuk csökkentését, illetve a beépítési méretek jobb kihasználását a motorok bizonyos szögű megdöntésével érik el. Egyes alkalmazási területeken (pl. alacsony padlós buszok) ez a szög 90 fok is lehet: ekkor beszélünk fekvő motorról.

V

Egy kétsoros elrendezéstípus, melyben két, egymással szemben fekvő henger egy közös forgattyúcsapra dolgozik. Sport- és versenymotoroknál ma már szinte kivétel nélkül ezt a változatot használják, ugyanis azonos lökettérfogat mellett nagyon kompakt, azaz az egységnyi beépítési térfogatra jutó teljesítményük kimagasló.

Motorkerékpároknál nem ritka a V2-es motorblokk sem, személygépkocsiknál V6 és V12 között van a járművek túlnyomó többsége. A hengerszög egészen változó, 45, 55, 60, 80, 90 és 180 fokos nyílásszögekkel is találkozhatunk.

Boxer

A boxermotor viszont csak 180 fokos hengerszöggel készül. Nem tévesztendő össze a 180 fokos V-motorral: a boxer esetén külön forgattyúcsapon foglalnak helyet a hajtórudak. Ez utóbbi miatt az egymással szemben lévő hengerek ellentétes fázisban dolgoznak, ami karakteres hangot ad a motornak.

Térfogati teljesítménye nem éri el a V mutatóit, viszont segít alacsonyan tartani az autó tömegközéppontját. Költséges fejlesztése és gyártása miatt kevés márka karolta fel hosszabb távon ezt a hengerelrendezést (Subaru, Porsche), azoknak viszont védjegyévé vált a megoldás.