Otto körfolyamat

Nicolaus August OTTO (1832-1891)

Nicolaus A. OTTO (1832-1891)

Otto körfolyamat. A körfolyamatot, ahogy szokás is, a kitalálójáról, Nicolaus August OTTO-ról nevezték el.  A német feltaláló 1832. június 14-én, egy Holzhausen an der Haide nevű településen, egy német földműves család fiaként született. Tanoncévei után üzletemberként dolgozott először Frankfurt am Main-ban, majd Cologne-ben, mai nevén Kölnben. Miután a cég Cologne-be helyezte át a székhelyét, kilépett és belekezdett Etienne Lenoir által korábban létrehozott belsőégésű motor tervének a konstrukciós fejlesztésébe, finomításába. Munkássága a belső égésű, szikragyújtású motorokhoz fűződik, és bár korábban is voltak rá próbálkozások, mégis az ő nevéhez fűződik az első megépített négyütemű, belső égésű motor. A mérnök szabadalmát, amely a négyütemű, szikragyújtású, belső égésű motorra vonatkozott, 1877 augusztusában jegyezték be. A feltaláló 1891. január 26-án, Cologne-ben hunyt el.

Korábban két olasz mérnök (Eugenio Barsanti és Felice Matteucci) 1854-ben Londonban ugyan szabadalmaztatta a négyütemű belső égésű motor elvét, de ez a szabadalom még további fejlesztésre szorult, aminek a befejezéséről, kifejlesztéséről jelenleg nincs írásos dokumentáció.

A hétköznapi érthetőség végett a körfolyamatok magyarázatát illetően nem szeretnék túl tudományos mélységekbe merülni, de az elméletéről azért illik egy pár dolgot megemlíteni. Az Otto-, alias benzinmotorok, de a Diesel-motorok is, ütemszámtól függetlenül a következő részfolyamatokból épülnek fel:

  • Szívás
  • Sűrítés
  • Égés, munkavégzés
  • Kipufogás

p-V diagram

Otto p-V diagram

T-s diagram

Otto T-s diagram

Az első, szívási ütemben az Otto-, alias benzinmotor a dugattyú lefelé haladó mozgása által szívja be a benzin-levegő megfelelő arányú keverékét.

A második, sűrítési ütem az dugattyú alsó holtponti (AHP) helyzetének elérése után kezdődik meg, amikor is a szívószelep bezár. Ekkor a dugattyú ezt az előzőleg beszívott keveréket sűríti össze. A sűrítés egyébként izentrópikus kompresszió, ami annyit jelent, hogy ezen részfolyamat alatt a töltet entrópiája nem változik. Magyarra lefordítva, a sűrítés alatt a zárt rendszerrel külső energiát nem közlünk és nem veszünk el tőle, vagyis az energiája csak a hőmérséklet növekedésének megfelelő arányban növekszik. A diagram ezt az 1-2 görbe mentén jelöli.

Négyütemű motor

Négyütemű motor

A harmadik ütem, az égés a sűrítési ütem végén, a dugattyú felső holtponti (FHP) helyzetében következik be. Az égéstérbe nyúló gyertya adja azt a szikrát, ami begyújtja a keveréket, és innentől kezdődik a munkaütem. Az égés  gyors térfogat-növekedést hoz létre, de mivel a zárt térfogat az égés rövid folyamatában gyakorlatilag állandó, így ez a térfogat-növekedés nyomásnövekedésben fog realizálódni. De mivel zárt térfogaton rövid idő alatt  a nyomás csak hőmérséklet-emelkedéssel tud létrejönni, ezért ez a hőmérséklet-emelkedés is tovább emeli a hengertéri nyomást. Ez a létrejött nyomás végzi a munkát a dugattyún, ami a hajtórúd-on (kevésbé szakszerű, de a köznyelvben elfogadottabb nevén hajtókar) keresztül a főtengelyre továbbítja az erőt, és az forgó mozgássá alakítja ezt.

A negyedik, kipufogási ütem a munkavégzési ütem után, a dugattyú AHP-i helyzetében következik be, amikor nyit a szívószelep. Ekkor a dugattyú elindul felfelé, és egészen a FHP-i helyzetéig tolja maga előtt az elégett gázokat, ami a nyitott kipufogószelepen keresztül távozik a motorból.

Otto körfolyamat elméleti hatásfoka

Otto körfolyamat elméleti hatásfoka

De hogy valami értelme legyen eme tömör elméletnek, elemezzük ki egy kicsit a hatásfok képletét. A “κ” a gázok fajhőinek a viszonyát számszerűsíti. Az “ε” pedig nem más, mint a kompresszióviszony, vagyis a V1/V2 térfogati hányados. Vagyis a képletből tisztán következtethető, hogy az elméleti(!) Otto-motor hatásfoka - lévén a gázok fajhőinek hányadosára elég kicsi hatást tudunk gyakorolni - tisztán a sűrítési viszonytól függ. Minél nagyobb a sűrítési viszonyszám, annál jobb a hatásfok. Számszerűen, ha a “κ” értékét konstansnak tekintjük, akkor a képlet értelmében, a sűrítés 9-ről 11-esre való növelése százalékosan kb. 2%-kal javítja a körfolyamat amúgy meglehetősen alacsony, 25% körüli hatásfokát. Természetesen a hatásfok növekedése nem egyenlő a teljesítmény növekedésével, hiszen az égés csúcs- és középnyomás ennél nagyobb mértékben emelkedik: egy relatíve idejétmúlt sűrítéssel (8,5) rendelkező szívómotor kompressziójának a felemelése 11 körüli értékre akár 10%-os érték feletti nyomaték- és ezáltal teljesítménynövekedést jelenthet!

Tehát a motortér előtt fejvakarva állván, most már tudjuk, hogy ezt az elméletet szeretnénk a gyakorlatba átültetni, de hogy is néz ez ki valójában. A cél az égési középnyomás növelése, hiszen minél magasabb, annál nagyobb a  teljesítmény is. Konkrétan, a p-V diagram 3-as pontjának az emelése a cél. De mivel az égés folyamatában nem igazán tudunk változást eszközölni, ezért az előtte kialakuló feltételeket kell befolyásolnunk, vagyis a 2-es pont, a sűrítési végnyomás értékét emelnünk. Az 1-es pont a belépési pont, itt a levegő légköri nyomáson van. Hát, a légköri nyomáson elég nehéz változtatni, de mechanikus, illetve dinamikus feltöltéssel már lehet növelni a motorba jutó levegő nyomását. Így máris felemeltük az 1-es pont nyomását, így a sűrítés már innen fog megkezdődni. A másik, az előzőt nem kizáró alternatíva, hogy a sűrítési fázisba nyúlunk bele, hiszen minél nagyobb a sűrítési viszony, annál nagyobb lesz a sűrítési végnyomás értéke (s nem mellesleg a hatásfok) is, tehát a 2-es pont ezen esetben is megemelkedett.  Végül pedig, képletszerűen megfogalmazható, hogy az Otto-motor hatásfoka a sűrítési viszony növelésével javul. S bár gondolom, ezen okfejtéssel nem sokaknak mondok újat, de így legalább diagramok fényében a dolog elméleti háttere is magyarázatot nyer.

Termikus és mechanikus korlátok

Termikus és mechanikus korlátok

Ugyanakkor azért megemlítendő az a tény is, hogy a benzin-levegő keveréknek van egy kopogási hajlama, tehát ezen dolog miatt nem növelhető korlátlanul a sűrítési végnyomás értéke. Mint az a mellékelt diagramból is látszik, a sűrítés növelésével nem csak a hatásfok nő, hanem vele együtt a kopogási határ értéke is csökken. Ugyanakkor értelmezendő a Peak-Firing-Pressure (PFP), vagyis égési csúcsnyomás  is, ami közvetve ugyan, de a motorra ható maximális erőket  determinálja. Ennek van egy maximuma, ami fölé lépve a motorban valami engedni fog. Tehát nem csak olyan egyszerű a dolog, hogy leveszünk a hengerfejből, ráakasztunk egy turbo-t és már mehet is. A sűrítés végállapotában kialakuló nyomás maximumát a motor mechanikus oldalról korlátozza, míg a hatásfok emelést célzó sűrítés növelését az üzemanyag kopogási hajlama. S mint azt a kék-zöld és piros előgyújtási görbék is mutatják, az előgyújtás állításával azért lehet játszani egy kicsit a kopogási határral, de csodára ez sem képes.  A diagram számadatai pedig csak a jelleget mutatják, konkrét értékükben nem alapul vehetőek, mert ezt nagyon sok minden más befolyásolja - hogy a legkézenfekvőbbet említsem, többek között az égéstér alakja; ami utólagosan értelemszerűen nem igazán módosítható.

Geree