Az Otto-motortól is jobb Otto-motor

A belső égésű motorok fejlesztési lehetőségei egy évszázada foglalkoztatják a mérnököket, és mondhatni folyamatosan érkeznek a sikeres és kevésbé sikeres újítások, melyek néha szignifikáns hatással bírnak akár az egész járműpiacra.

Voltak és ma is vannak a témában kutató szakemberek, akik nem voltak hajlandók elhinni, hogy az Otto- és Diesel-körfolyamat szent és sérthetetlen, így alternatív megoldások után néztek. Így születhetett meg többek között az Atkinson-ciklusú belső égésű motor, melyet az alábbi cikkben bemutatunk.

Az alapvető probléma az Otto-körfolyamattal

A négyütemű belső égésű motorokról általánosságban elmondható, hogy a négy ütemből csak egy végez munkát, a többi ennek az előkészítéséhez szükséges.

Az Otto-ciklus termikus hatásfoka viszonylag kedvezőtlen. A motorból kivehető mozgási energiát elsősorban a munkavégző ütemben nyert energia és a sűrítés energiaszükségletének különbsége határozza meg. Veszteségeket okoz a töltetcsere (azaz a szívás és a kipufogás) energiaszükséglete, illetve ezen túlmenően a mechanikus veszteségek.

Ami a töltetcserét illeti, a szívási veszteség elsősorban abból adódik, hogy a hengerbe tóduló keverék nyomása alapesetben kisebb a légköri nyomásnál az áramlási veszteségek miatt, ezért a dugattyúnak a lefelé történő mozgás során a nyomáskülönbség miatt fellépő erőt le kell győznie.

Ez ugyanígy igaz a kipufogásra is: ekkor a hengerben uralkodó nyomás valamivel nagyobb a légköri nyomásnál az áramlási veszteségek miatt, így az égéstermékek eltávolításához is szükséges bizonyos energia.

Ám a termikus hatásfok szempontjából sokkal fájdalmasabb gond, hogy ez utóbbit erősen rontja, hogy a munkaütem (azaz a korábban más említett harmadik a négyből) végén a még forró égéstermék nyomását nem hasznosítja a ciklus teljes mértékben – sőt, úgy is fogalmazhatnánk, hogy egy jelentős része kárba vész.

Mivel a motorok lökete, furata, azaz a fizikai, illetve geometriai paraméterei adottak, külső feltöltés vagy a kompresszióviszony növelése nélkül nem lehetséges, de ez utóbbinak határt szab az a tény, hogy nagyobb sűrítési aránynál a keverék az adiabatikus folyamatban túlságosan felmelegszik, és káros öngyulladás (kopogásos égés) lép fel.

A feltöltést illetően a kipufogógázok energiájának részleges hasznosítása az Otto-ciklusban segédberendezésekkel, azaz turbófeltöltővel, kompresszorral, vagy egyéb típusú feltöltővel megoldható, viszont messze nem költségmentes, nem beszélve az abszolút mértékben megnövekedett üzemanyagfogyasztásról.

Ezek a gondolatok egészen addig állták meg a helyüket, amíg James Atkinson elő nem állt a teljesen új elképzelésével.

Amiben más az Atkinson-ciklus

Az Atkinson-motorban tulajdonképp egyetlen dolog más, mint az Ottoban: a munkavégző ütem hosszabb, mint a sűrítő ütem. Ebben az esetben a sűrítés energiaigénye nem nő, míg a munkavégző ütemben nyert energia nagyobb lesz, hiszen tovább halad a dugattyú lefelé, miközben a gázelegy terjeszkedik.

Az igazsághoz hozzátartozik, hogy ezt a megoldást a gyakorlatban hagyományos hajtórudazattal nem lehet megvalósítani. Új mechanikai megoldás volt szükséges a kivitelezéshez.

Gyakorlati alkalmazások

Az ábra alatti dátum nem téves: a konstrukció 1887 óta létezik, James Atkinson 1898-ban szabadalmaztatta azt.

Az első, ma már kezdetlegesnek számító kivitel azon alapul, hogy a lökethosszt mechanikus megoldással, a hajtórúdhoz csatlakozó több elemből és csapágyból álló szerkezettel módosítja. Ez az összetett megoldás a főtengelyt úgy hajtja meg, hogy a motor négy üteme, vagyis a dugattyú két oda-vissza mozgása alatt fordul egyet a főtengely, illetve ezalatt játszódik le az ehhez csatolt lökethossz-módosító mechanizmus mozgásának egy teljes periódusa.

Hasonlóan az eredeti elvhez, a dugattyú a motor szívó és sűrítő üteme alatt kisebb utat tesz meg, mint a munkavégzés és kipufogás üteme alatt. Ebből következően itt is megállja a helyét, hogy a motor termikus hatásfokát növeltük azáltal, hogy a szívás és sűrítés energiavesztesége szempontjából egy szokványos Otto-motorhoz hasonlítható, míg energianyerés szempontjából viszont egy jóval nagyobb sűrítési arányú, vagy nagyobb lökettérfogatú motorhoz.

Az eredeti Atkinson-mechanizmus több csatoló elemet és csapágyat iktat be a hajtórúd és a főtengely excentere közé, ami konstrukciós szempontból kérdéses, tekintve az elemek számából adódó plusz költséget és a bonyolultságából következő megbízhatóság esetleges csökkenését.

Ezeket a szempontokat vette figyelembe kicsit több mint egy évtizeddel ezelőtt a Honda, amikor megalkotta a saját Atkinson-ciklusú motorját, melyet EXlink néven dobott piacra.

Itt a főtengely az Otto-motorral megegyezően négy ütem alatt kétszer fordul körbe. Látszólag pont ugyanolyan, mint egy hagyományos belső égésű motor – mégsem az. A főtengely két fordulatára eső egy teljes lökethossz-módosító periódust úgy érik el, hogy a főtengely fordulatszámát egy fogaskerekes modullal felezik, és a löket modulálását az így meghajtott excenter biztosítja.

Az Atkinson-ciklussal egy évszázadon keresztül azért nem foglalkoztak érdemben a gyártók, mert azokban a fordulatszám-tartományokban, ahol jelenleg a személygépkocsik működnek, nem tartották gazdaságosan megvalósíthatónak a megoldást.

Ehhez képest a Honda az EXlinkkel elért egy, a dízelmotorokkal összemérhető hatásfokot, pedig továbbra is egy 2013-ban debütált, szívó benzinmotorról beszélünk.

Ezen kívül természetesen számos megoldás született az Atkinson-ciklus vezérelve alapján. Például az Ilmor Engineering által kifejlesztett konstrukció lényege az, hogy két Otto-ciklus szerint működő henger között egy extra, nagyobb átmérőjű, de a közös főtengelyre dolgozó henger működik. A négyüteműként dolgozó kisebb átmérőjű hengerekből a kipufogás üteme alatt az égéstermék szeleppel vezérelve a nagyobb átmérőjű hengerbe távozik, ott munkát végez, majd innen történik a végleges kipufogás.