A négyütemű benzinmotor

A gépjárműveket sokféle motor hajthatja ezek majdnem mindegyike belső égésű hőerőgép. A belső égésű hőerőgépek az égéstérben megfelelő üzemanyag elégésekor felszabaduló hőenergiáját alakítják át mozgási energiává, így végeznek munkát. A belső égésű motorban a munkavégzések és az égés is ugyanazon a helyen, a hengerben megy végbe. Nem úgy, mint a gőzgépben, ahol a munkavégzéshez szükséges gőzt a motoron kívül a kazánban kell előállítani. Mielőtt megismerkednénk a négyütemű benzinmotor működésével, meg kell ismernünk néhány alapfogalmat.

A gázok és a gőzök próbálják kitölteni a rendelkezésükre álló helyet. Ez a két anyag ezen kívül még nagymértékben sűríthető is, de kompresszió hatására fölmelegednek. Kompresszió hatására ezen kívül még nő a nyomásuk is. Ha a gáz térfogata nő, akkor terjeszkedésről beszélünk, ekkor mind a nyomásuk, mind a hőmérsékletük is csökken.

Fontos felismerés volt, hogy az égés sokkal nagyobb része fordítható munkavégzéssé a motorban, ha az égést megelőzően az éghető gázkeveréket ( levegő + éghető anyag) megfelelően összesűrítik. Ugyanis ekkor az égés okozta nyomás-és hőmérséklet-emelkedés lényegesen nagyobb lesz, mint az előzetes sűrítés nélkül. Most nézzük az égést, mint

kémiai folyamatot. Az égéshez három feltétel szükséges: éghető anyag, oxigén, megfelelő hőmérséklet. Ha ezek közül valamelyik nincs meg, akkor nem jöhet létre az égés. Az égés során keletkezik melléktermék is ez a korom és a füst. Ha az éghető anyag és oxigén nincsenek megfelelő arányban, akkor ugyan létrejön az égés, de tökéletlen lesz. Ha túl kevés

oxigén párosul egy bizonyos mennyiségű éghető anyaghoz, akkor sok korom marad. A korom nem más, mint az elégetlen anyag.

A benzin a hengerbe gőz alakjában jut be. Mint azt már tudjuk, ha a gőzt összesűrítjük akkor az felmelegszik. Egy bizonyos hőfok felett a benzin magától begyullad. De a hengerbe ez az öngyulladás szinte biztosan nem akkor jönne létre amikor mi akarjuk. Ezt hívjuk "kopogós" égésnek. Ez a motor számára nagyon káros, hamar tönkreteszi a csapágyakat és akár még a dugattyú átszakadását is eredményezheti. Ez a jelenség olyan, mintha egy nagy kalapáccsal ráütnénk a dugattyúra.

Akkor mit tehetnénk? Ne sűrítsük annyira össze a benzint, de akkor a motor hatásfoka is csökken. A válasz az, hogy növelni kell a benzin "kopogásállóságát". Ez nem más mint, a benzin oktánszámának növelése. A Magyar kutaknál 95ös, 98-as és most már 99-es benzint is tankolhatunk. A benzinnek minél nagyobb az oktánszáma annál kopogásállóbb. A benzin oktánszámát különböző eljárásokkal növelik, így minél nagyobb az oktánszám a benzin annál drágább. Régebben úgy növelték az oktánszámot, hogy ólomtetraetilént kevertek hozzá. Az ilyenfajta benzinnel közlekedő autónak a kipufogócsövén ólom távozott, ami mind az állatokra, mind az emberekre, mind pedig a növényekre károsan hat.

A négyütemű motor fő részei

Hengertömb

A hengertömb a motor középső része. Itt találhatóak a hengerek a dugattyúk, és annak alkatrészei. Anyaga öntöttvas, acél vagy alumínium. Sokszor, leginkább az alumínium hengertömböknél, úgynevezett perselyt helyeznek el a hengerfuratokba. Ennek az az oka, hogy a hengertömb anyaga nem mindig megfelelő, hogy elviselje az őt ért hő, és mechanikai hatásokat. Vízhűtéses motorok esetén beszélhetünk száraz és nedves hengerperselyekről. A száraz esetében a persely nem érintkezik közvetlenül a motort hűtő vízköpennyel, a nedvesnél érintkezik.

Hengertömb (V8)

A hengerfej

A hengerfej a motor felső része. Magába foglalja az égéstér egy részét a gyertyafészket és a szelepfészkeket. Előfordult a régebbi autók többhengeres motorjában minden egyes hengert külön hengerfej zárta le. Ezt osztott hengerfejnek hívjuk. A hengerfejt a hengertömbre csavarral erősítik. A hengerbe végbemenő robbanások miatt a hengerbe nagyon nagy nyomás uralkodik, emiatt a hengertömb és a hengerfej közötti kis rést tömíteni kell, különben ott kiszökne a gáz. Tömítésnek leggyakrabban vékony réz vagy alumínium közé préselt azbesztet (rézazbeszt, alumíniumazbeszt) vagy grafitos műanyagot, úgynevezett klingeritet használnak. A hengerfej anyaga a mai autókban szinte kizárólag alumínium. Régebbi autókban, a motor hengerfeje öntöttvasból volt. Régebben motorokat készítettek úgynevezett „zsákhengerrel” is, ami nem más minthogy a henger és a hengerfej egyben van.

4 hengeres, 8 szelepes hengerfej alulnézetből

Hengerfejtömítés

Forgattyús hajtómű

Faladata a benzin elégésekor keletkezett hőenergiát mozgási energiává alakítani. Részei: a dugattyú a gyűrűkkel, a csapszeg a biztosítókkal, a hajtókar az osztott csapágyakkal, a forgattyústengely az ellensúlyokkal, a lendítőkerék a fogaskoszorúval és a vezérművet hajtó fogaskerék vagy lánckerék.

Olajteknő (karter)

A motor legalján található. A négyütemű motorok kenéséhez szükséges olajat tárolja. A motor e részét is csavarokkal rögzítik a hengertömb alsó részéhez. Mivel itt se túl nagy hőmérséklet se nagy nyomás nem uralkodik, így a tömítéséhez általában különleges papírt, vagy parafát használnak. Régebbi motorokban, főleg azok közül is inkább a léghűtésesekben, az olajteknőn hűtőbordákat helyeztek el a motor jobb hűtése végett.

Motor fő részei

Vezérmű

Feladata a négyütemű motorokban a megfelelő ütemek létrehozása. Részei: a vezérműtengely vagy más néven a bütyköstengely. Erre van felszerelve a hajtó fogaskerék vagy lánckerék, melyet a forgattyústengelyen lévő kerék hajt 2: 1 áttétellel. Ez azt jelenti, hogy amíg a forgattyústengely 1 fordulatot tesz, addig a vezérműtengely 0, 5 fordulatot.

A vezérműtengely "bütykeire" fekszenek a szelepemelők, ezek emelik a szelepeket, közvetlenül vagy tolórudak segítségével. A szeleprugók a szelepeket zárják. A szeleprugók feszített állapotát a szeleptányérok és a különböző megoldású szelepékek biztosítják. A szelepek elhelyezésének megfelelően felülszelepelt motoroknál tolórudakat és/vagy szelephimbákat találunk.

Forgattyús hajtómű és vezérmű részei

Dugattyú

A henger furatában van elhelyezve. Az ütemeknek megfelelően ide-oda (alternáló mozgás) mozog, miközben a szélső helyzetekben, amiket holtpontnak nevezünk, megáll. A dugattyú és a henger pontosan illeszkednek egymáshoz. A dugattyú alsó része a palást. A palást fölött van egy furat, amely a dugattyúcsapszeg befogadására szolgál. A dugattyún hornyok vannak, ezekbe kerülnek a dugattyúgyűrűk.

A dugattyú. Jobboldalt a csapszeg, melynek segítségével kapcsolódik a hajtókarhoz. Előtte három dugattyúgyűrű, a két kisebb gyűrű a csapszeg rögzítésére szolgál a dugattyúban.

Dugattyúgyűrűk

A dugattyú és a henger között helyezkedik el a dugattyú hornyaiban. Általában egy dugattyún három dugattyúgyűrű van. Ebből kettő úgynevezett kompressziós (felül) és a harmadik pedig olajlehúzó. Mint azt a nevük is mutatja a kompressziós gyűrűk a jobb tömítést segítik, míg az olajlehúzó, a lefele haladó dugattyú alól a henger falára felfröccsent olajat tolja le. Az olajlehúzó gyűrűt úgy alakítják ki, hogy az csak a lefele haladó dugattyúnál húzza le az olajat. A dugattyúgyűrűket általában kopásálló vasból készítik. A dugattyúgyűrűk karika alakúak de egy kis vágás van rajtuk, hogy be lehessen helyezni őket a dugattyú hornyaiba.

Dugattyúcsapszeg

Ezzel a kis alkatrésszel csatlakozik a dugattyú a hajtókarhoz. A dugattyúcsapszeg a dugattyú csapszegfuratában helyezkedik el. Ez egy üreges rúd.

Hajtórúd (hajtókar)

A hajtórúd vagy más néven a hajtókar a dugattyút köti össze a főtengellyel. A dugattyúba a dugattyúcsapszegen keresztül csatlakozik. Anyaga króm-nikkel és acél ötvözete. Alakja I profil. Felső része a hajtókarszem, alul találjuk az osztott csapágyat, amely segítségével a főtengelyhez kapcsolódik.

Hajtókarok. Felettük a már említett dugattyúk, csapszegek

Forgattyústengely

Nevezik főtengelynek is. Ehhez kapcsolódik a hajtókar. Feladata a dugattyú, illetve a hajtókar alternáló mozgását forgó mozgássá alakítani. Anyaga kovácsolt acél, vagy öntött vas. Ennek az alkatrésznek kell elviselnie a legnagyobb erőt, hiszen ehhez kapcsolódik a többhengeres motorban az összes hajtókar. A főtengely és a hajtókar kapcsolódási pontjával szemben ellensúlyok (hétköznapi néven sonkák) vannak, hogy a motor járása kiegyensúlyozottabb legyen.

A főtengely

Lendítőkerék

A motoron kívül, a főtengely végén található. Ehhez kapcsolódik a tengelykapcsoló szerkezet is. A külsejét kívülről egy fogaskoszorú veszi körül. Ezen fogaskoszorún keresztül adja át az indítómotor (önindító) forgó mozgását a motornak. Feladata ezen kívül, hogy a motor energiáját tárolja. Minél nehezebb egy lendítőkerék annál több energiát tárol a motor számára, de ugyanakkor a motor a nagyobb lendítőkereket nehezebben is pörgeti fel. Vegyünk egy példát. Ha egy tengely végére kurblit rakunk, és ha annak a tengelynek a másik végére rárakunk mondjuk egy autókereket, és azt megforgatjuk, a tengely miután abba hagytuk a forgatást is forogni fog egy ideig. Ha ugyanezt tesszük, de a tengely végén nincs kerék akkor ugyan könnyebben felgyorsítjuk a tengely ugyanarra a fordulatszámra, de miután a forgatást abbahagyjuk, az gyorsabban le is fog állni. Ugyanígy van ez az autók motorjával is. Ha nehezebb benne a lendítőkerék, akkor a motor nehezebben pörög fel, de nehezebben is csökken le a fordulatszáma. A lendítőkeréknek fontos szerepe van a motorban. Méghozzá az, hogy amíg egyik dugattyú sincs munkaütemben, addig a motort forgásban tartja, üzemének „hullámzásait” kiegyensúlyozza. Minél többhengeres a motor annál kisebb súlyú lendkerékre van szükség.

Lendkerék fogaskoszorúval

Vezérműtengely

A rajta lévő "bütykök" vezérlik a szelepeket. Minden hengerhez minimum két szelep szükséges, egy szívó, egy kipufogó. De ma már gyakran előfordulnak olyan motorok, amelyeknek minden hengeréhez három, négy vagy akár öt szelep is van. A vezérműtengely egy vékony rúd. Manapság már készítenek olyan vezérműtengelyt is, amely üreges, így kisebb a súlya.

Vezérműtengelyek

Hajtó fogaskerék, lánckerék vagy ékszíjtárcsa

A főtengelyen lévő hasonló kerék hajtja. Mint már említettem, fele fordulatszámmal forog, mint a főtengely. A forgásiránya a hajtástól függ.

Szelephézag

Itt nem a szeleptányér, és a szelepfészek közötti hézagról van szó, hiszen annak értéke 0 kell hogy legyen, különben kiszöknének a gázok. A szelephézag a szelep és bütyök, vagy ezek között elhelyezett himbák egyes részeinél mérendő. Azért beszélek erről ilyen nagy általánosságban, mert a különféle vezérlési megoldásoknál, motorkialakításoknál, sokféleképpen mérendő a szelephézag. Ha a motor melegszik, akkor vele együtt a szelepek is és a szelepszárak is melegszenek, így azok megnyúlnak, nagyobbak lesznek. A kipufogószelepnél nagyobb a hézag, mert az jobban melegszik. Szívószelepnél a hézag általában 0, 1-0, 3 mm. A kipufogószelepnél a hézag 0, 2-0, 4 mm. A szelephézagot a gyártósoron természetesen már beállítják, úgyhogy ezzel csak akkor kell foglalkozni a későbbiekben, ha a karbantartási ütemterv része, vagy ha elállítódik. A szelephézag nagysága szinte minden motortípusnál más. A gyártó megadja a szelephézagot külön a hideg és külön a meleg motornál.

Korszerű gépkocsiknál az úgynevezett hidrotőkék tartják folyamatos értéken a szelephézagot a motorban uralkodó olajnyomás segítségével.

Szelep

Felső része lapos, tányér alakú, a szelepszárban folytatódik. A szelepvezetőben mozog, és a szelepfészket zárja le. A tányér és a szelepfészek általában 45 fokos vagy 30 fokos szögben van köszörülve. A kettőt pontosan összecsiszolják, hogy jól zárjon a szelep fészkén. Extrém hőmérsékleteknek van kitéve (kipufogószelepnél akár 900 Celsius-fok is lehet). A szeleprugó a szelepet zárja a szelepfészekre, a rugótányér a szeleprugót támasztja alá, a szelepékek a rugótányért támasszák alá és így rögzítik a rugót a tányérhoz. Nagy fordulatú motorokban a szelepek zárását már csak nagyon erős rugóval tudnák megoldani, ezért a zárást is „direktbe” végzik.

Szelepek beszerelve a hengerfejbe. Jól látszanak a rugók, rugótányérok.

Szelepek

A lökettérfogat

A dugattyú fölötti teret hívjuk lökettérfogatnak, amikor a dugattyú az alsó holtpontba van. Ez mind a három fajta motorra érvényes. Többhengeres motorokban természetesen hengerenként összeadódik ez a méret, így kapjuk meg a motor hengerűrtartalmát. Általában köbcentiméterben, vagy litertben adják meg a motorok hengerűrtartalmát. 1 liter, 1000 köbcentiméter. Kiszámítása: Furat*Furat*Löket*0, 785. Hosszúlöketű motorról akkor beszélünk, hogyha a löket hossza meghaladja a hengerfurat méretét.

Szelepvezérlési módok

A szelepek és a vezérműtengely elhelyezésének megfelelően beszélünk: alulvezérelt (oldalt) és oldaltszelepelt, alulvezérelt (oldalt) felülszelepelt, és felülvezérelt felülszelepelt megoldásokról.

Alulvezérelt, oldaltszelepelt (SV) (Side Valve) elrendezés

A vezérműtengely a forgattyúsházba van elhelyezve, ahonnan közvetlenül mozgatja a szelepeket. Előnye, hogy kevés alkatrészből kivitelezhető a vezérlés, valamint, hogy szelepszár-törésnél a szelep nem esik bele a hengerbe. Nagy hátránya, a rossz gázcsere, és hogy károsan befolyásolja az égésteret. Autókban, motorkerékpárokban csak régen alkalmazták.

Alulvezérelt, felülszelepelt (OHV) (Overhead Valve) elrendezés

A vezérműtengely a SV megoldáshoz hasonlóan szintén a forgattyúsházba helyezkedik el, de a szelepek már a hengerfejben találhatóak, melyeket tolórudakkal és himbákkal mozgat.

Felülvezérelt, felülszelepelt (OHC) (Overhead Camshaft) megoldás

Ebben az esetben mind a vezérműtengely, mind pedig a szelepek a hengerfejben találhatóak. Kompakt, hatékony a gázcsere. A vezérműtengely hajtását szíjjal, lánccal ritkább esetben tengellyel oldják meg.

Egy dupla vezérműtengelyes, (DOHC) tehát 16 szelepes motor

A négyütemű benzinmotor működése

1. ütem

A dugattyú a felső holtponttól lefelé halad, így légritkulást (vákuumot) hoz létre a hengerben (lásd injekciós tű). Eközben a nyitott szívószelepen keresztül benzin-levegő keveréke jut be a hengerbe. Ez alatt a motor főtengely fél fordulatot tett.

2. ütem

A dugattyú az alsó holtponttól fölfelé halad. Mindkét szelep zárva van, így a dugattyú összesűríti a benzinlevegő keveréket. A sűrítéskor általában az eredeti térfogat 1/7-1/10-ére (motortól függően) nyomja össze a benzin levegő keveréket. Ez alatt a főtengely megint fél fordulatot tett.

3. ütem

Gyújtás vagy más néven a terjeszkedés üteme. A négy ütem közül ez az egyetlen, amelyiknél erő szabadul fel, a többi ütem csak fogyasztja az energiát (meddő ütemek) a súrlódás és a kompresszió miatt. Mindkét szelep zárva van. A dugattyú, amikor a felső holtpontba ér a gyertya egy elektromos szikrával meggyújtja a benzinlevegő keveréket és az égés a dugattyút az alsó holtponthoz löki. Eközben a főtengely megint tett egy fél fordulatot.

4. ütem

Kipufogás üteme. Mivel égéskor, mindig keletkezik melléktermék, jelen esetben a füst, így, hogy megint elkezdődhessen elölről a négy ütem, az éghetetlen füstöt, kipufogógázt el kell vezetni. A felső holtpont felé haladó dugattyú a nyitott kipufogószelepen keresztül a szabadba "nyomja" a felesleges szén-monoxid, széndioxid és egy nagyon kevés korom keverékét. Minél tökéletesebben égeti el a motor a benzint annál kevesebb korom lesz. Ha a motor teljesen tökéletesen működik, akkor a gyertya belső fele és a kipufogócső őzbarna színű. Ez

alatt a főtengely megint tett fél fordulatot, így a négy ütem alatt a motor főtengelye két teljes fordulatot tesz.

Egyenletes járás, gyújtási sorrend

A négyütemű benzinmotorokban a forgattyústengely a négy ütem alatt négyszer fél, azaz két fordulatot tesz meg. A négy ütem közül hasznos munkát csak a harmadik ütem végez, a többi az úgynevezett meddő ütem.

Ez egybe azt is jelenti, hogy a harmadik ütemben a forgattyús hajtómű felgyorsul, a többiben viszont lelassul, azaz egyenetlenül jár.

Ahhoz, hogy a motor járása mégis egyenletes legyen, nagy lendítőkerékre van szükség, ami viszont nagy súly, ezért inkább a hengerek számát növelik.

Ma már szinte csak négyhengeres (vagy többhengeres) motort alkalmaznak, így valamelyik hengerbe mindig munkaütem zajlik. Így kisebb lendítőkerékkel is egyenletes a motor járása. A hengerekben egymás után lejátszódó gyújtások sorrendje a négyütemű, négyhengeres motorban kétféle lehet. Ez a kétféle lehetőség az 1-3-4-2 vagy az 1-2-4-3. A mai autókban az előbbit használják. Hat, nyolc vagy még ennél is többhengeres motorban még több lehetőség van. Lényegében a cél az, hogy lehetőleg egymás melletti hengerekben ne történjen munkaütem. Sajnos ez a négyhengeres, négyütemű motornál nem lehetséges, mert amint azt látjuk kétszer is egymás melletti hengerben zajlik a munkaütem, ami a főtengelyt erősen igénybe veszi.

Előnyitás, utánzárás

Az eddigiekből az derülhetett ki, hogy a kipufogószelep pontosan akkor nyit ki, amikor a dugattyú az alsó holtpont felől elkezd felfele haladni a felső holtpont felé. Pedig ez nem így van. Vegyük azt, hogy a dugattyú, amíg elér az alsó holtponttól a felső holtpontig, az 100 löketszázalék. Akkor a szelep motorfajtától függően 1-5 löketszázalékkal előbb nyit és ugyanennyivel később zár. Erre azért van szükség, mert a hengerek gázcseréje így optimális. Ebből kiderül az is, hogy a kipufogás végénél egy rövid ideig együtt van nyitva a szívó és a kipufogószelep is.

Hengerelrendezés

Az autógyárak leggyakrabban háromféle megoldást alkalmaznak. A legelterjettebb a soros hengerelrendezés. A Boxer elrendezésnél a hengerek egymással szemben helyezkednek el. A „V” hengerelrendezésnél a motor hengerei „V” alakot zárnak be, legtöbbször 60, vagy 90 fokban.