Sűrítés

Első körben szeretném tisztázni a különbséget a sűrítési viszony és a sűrítési végnyomás között, mivel ezt még sok szakmabéli is összekeveri, rosszul értelmezi.

- A sűrítési viszony egy mértékegység nélküli szám;
- A sűrítési végnyomás egy nyomás-mértékegységben kifejezett fizikai érték.

A sűrítési viszony két térfogat hányadosa, így esik ki a mértékegység. Képlet szerint pedig, a körfolyamatok jelöléseit felhasználva, ε=V3/V2. Vagyis a számlálóban a hengertér AHP-i térfogata áll, míg a nevezőben ugyanez, csak a FHP-i helyzetben.

Kompresszióviszony értelmezése

Kompresszió-viszony értelmezése

A konkrét számítások előtt fontos megemlíteni, hogy a hengertér térfogat miből áll össze! Természetesen adott a motorra jellemző furatátmérő és lökethossz. Ha ezen két számból számítunk egy hengertérfogatot, akkor megkapjuk azt a térfogatot, amit a dugattyú mozgása generál. De nézzük, mi van még?

Domború-tetős dugó

Domború-tetős dugó

A kérdés megválaszolásához induljunk ki a dugattyú FHP-i pozíciójából. Egy Otto-motornál a legegyszerűbb esetben a dugattyú síktetős kialakítású, tehát sem dudor, sem “zseb” nincs rajta, és az égéstér sem ebben van kialakítva. Innentől már csak a következő kérdés merül fel: a dugó blokktetőig jár-e fel? Mert ha igen, akkor megint sima ügy, mehetünk tovább.

Homorútetős dugó

Homorú-tetős dugó

De mi van akkor, ha nem jön fel blokktetőig? Vagy feljön ugyan, de homorú-tetős? Vagy épp a FHP-ban kiáll a blokkból? Akkor biza ezeket a térfogatokat is hozzá kell venni a számításhoz, méghozzá előjelesen, s a következőképpen: ami a blokktető síkja alatti, levegővel teli térfogat (pl. egy zsebes, vagy homorú-tetős  megoldás) növeli a FHP-i térfogatot, míg egy domború-tetős megoldás negatív előjellel kerül a képletbe, vagyis csökkenti  azt. A domború dugattyú-tetős megoldásoknál egyébként alapvetően megfigyelhető, hogy a dugattyú a megmunkált palástfelületének a tetejéig jár fel a blokkban, így ami eme képzeletbeli vonal felett helyezkedik el, az a FHP-ban kiáll a blokk felső síkjából.

Miután végeztünk a hengertérre és a dugattyúra jellemző sajátosságok elemzésével, mehetünk tovább. A fenti képen zölddel jelölt rész a hengerfejtömítés vastagságából adódó térfogat. Ez is egy jó pár köbcentiméter térfogatot jelent, és mivel a FHP-i térfogat erősen meghatározza egy motor sűrítését, beleveendő a számításba.

S ezek után igazából már nem maradt más, csak a hengerfejben lévő égéstér térfogata.

Szóval számítani utólag nem biztos, hogy egyszerű dolog, nagyban múlik a motor sajátosságaitól. Pláne ha egy kicsit bonyolultabb az égéstér kialakítása. De konkrétan, képletszerűen a következőképpen lehetne felírni:

ε = (Vh + Vt + Vé (+Vd)) / (Vt + Vé (+Vd)), ahol

Vh: a furatból és löketből számított hengertérfogat (kék színnel jelölt)
Vt: a hengerfejtömítés által meghatározott gyűrű alakú térfogat (zöld színnel jelölt)
Vé: a hengerfejben kialakított égéstér térfogata (narancs színnel jelölt)
Vd: a dugattyú által meghatározott égéstérbeli térfogat; nulla, ha síktetős és blokktetőig jár. Pozitív előjellel adódik hozzá a képlethez, ha a dugó FHP-i helyzetében a blokktető és a dugó között légrés van; s negatív, ha a FHP-ban dugó kiáll a blokktető síkjából.

Ha darabokra van szedve a motor, akkor akár folyadékkal való feltöltéssel vagy egyéb más módszerekkel meglehetősen jól ki lehet okoskodni a számításainkhoz szükséges térfogatokat. Ez főleg abban az esetben lesz érdekes, ha úgy szeretnénk kompressziót növelni, hogy tudni szeretnénk annak a mértékét is. De erről később.

A sűrítési viszony klasszikus értéke Otto-motorok esetében 9,5-12,5 közötti érték, feltöltött benzinesek esetében akár ~7,5-es érték is lehet. Diesel motoroknál 17 és 23 közötti érték a tipikus. Nyilván a szívó-Diesel-ek magasabb, míg a feltöltöttek alacsonyabb értékekkel készülnek.

Kompressziómérő műszerA sűrítési végnyomás pedig az a “bar”-ban kifejezett nyomásérték, amit a gyertya menetébe csavart nyomásmérő  műszer mutat, ha nyitott fojtószelep mellett önindítóval forgatjuk a motort. Dieselek esetében nincs klasszikus értelemben vett fojtószelep, hiszen nem mennyiségi, hanem minőségi szabályzás szerint működnek, így a hengertérfogatnak és az adott pillanatbeli feltöltési nyomásnak megfelelő mennyiségű levegő mindig bekerül a motorba. Benzinesek esetében pedig azért fontos, hogy padlógázon indítózzon az ember, mert ha a fojtószelep részben zárva van, akkor az, mint a nevéből is adódik, fojtásként fog funkcionálni és a műszer nem a valós értéket fogja mutatni.

Fontos továbbá a mérés folyamatában, hogy a motor ne indulhasson be, mivel az esetleges égés a műszer számára az azonnali tönkremenetelt jelentené. Ezért célszerű lehúzni egy (vezérlő)madzagot a gyújtásról, hogy ne kapjon jelet. Le lehet húzni a gyertyapipákat is, de attól az még ad szikrát, és ha valamihez át tud húzni, akkor át is fog. És nem fogja megkérdezni, hogy keresztülhúzhat-e rajtad,  simán kérdezés nélkül megteszi. Ezt nem említeném a kellemes dolgok között…

A sűrítési végnyomás értéke egy gyári benzines motor esetében ~10-15bar közötti tartományban szokásos. Diesel-eknél simán átlépheti lehet akár 30bar feletti értéket is.

A sűrítési végnyomás mérésének esetében ahhoz, hogy korrekt módon ki lehessen értékelni az eredményt, ismerni kell a motor konstrukcióját, azon belül a sűrítési viszony értékét, valamint a vezérműtengely karakterisztikájának a jellegét. Kiindulásnak jó tudni a kompresszió-viszony értékét is, mert egy kis sűrítésű motornál sosem fog tudni az ember 14-15 bar körüli sűrítési végnyomást mérni. A másik tényező pedig a szívószelep zárásának a főtengely elfordulásában mért szögértéke. Ugyanis ennek a mérésnek legideálisabb az lenne, ha az alsó holtpontban zárna a szívószelep, akkor tudná a legtöbb gázt komprimálni. De mivel a szelepek csak az alsó holtpont után ~20-80°-al zárnak be, ezért amíg nem zár, addig kitolja a hengerben lévő gázokat és csak kevesebb gázt tud összesűríteni, s jóval kisebb mértékben is. Ez látszólag hülyeség, pláne ha azt mondjuk, hogy egy sportautó esetében inkább a 80°-hoz van közelebb ez az érték. A dolog magyarázata, hogy dinamikus környezetben kell vizsgálni a helyzetet, de erről a témáról részletesebben majd a szelepvezérlés és töltetcsere témájú fejezetekben. Tehát mindezek ismeretében nem meglepő, hogy egy frissen bejáratott sportgép sűrítési végnyomása épp csak megüti a 10-et, pedig növelték a sűrítést, nagyobb kompressziójú dugókat tettek bele, stb. Pedig egy széria Suzukinak is 13-14 körül van. Tehát két, különböző gyártmányú motor sűrítési végnyomása nem összehasonlítható egymással, hiszen egy kis sűrítésű és alacsony fordulatú motor végnyomása számszerűleg lehet nagyobb, mint egy nagysűrítésű, de magas fordulatra hangolt motor statikus sűrítési körülmnyek között mért végnyomása. Pedig használat során egyértelműen kézzel foghatóvá válik a lóerők különbsége. A más vezérlés adta következmény ez. Tehát az összehasonlítás célszerűen csak azonos motorokkal, illetve a gyár által megadott értékekkel összevetve ad értelmes eredményt.

—————————————————————————–

Lehetne kérdezni, hogy a Diesel-eknek miért olyan magas a kompressziója, míg a benzineseknek nem? Nos, mivel Diesel öngyulladós, ezért olyan állapotot kell a motorban létrehozni, hogy még a motor nagyon megkopott, és hőmérsékletileg szélsőségesen hideg állapotában is képes legyen beindulni, így a sűrítés végén kialakuló hőmérsékleti és nyomás-viszonyoknak stabilan benne kell lenni abban a tartományban, amikor is a gázolaj magától be képes gyulladni. Ezt az állapotot egyrészt a sűrítés miatt létrejött nyomásnövekedés és hőmérséklet-növekedés biztosítja. Nem hiszem, hogy bárki is szeretne bonyolult hőtani képleteket bogarászni, különböző politropikus kitevőkkel szimulálni a folyamatot, ezért inkább csak a kézzel foghatóbb dolgokra térek ki. Szóval minél nagyobb a hőmérséklet és a nyomás, annál biztosabb az öngyulladás. És ezáltal nem mellesleg a teljesítmény és az égés hatásfoka is nő,  valamint a fogyasztás is csökken. Ezért a Diesel motorok esetében szinte korlátlanul lehetne növelni a kompressziót, az csak előnyére válna, de itt már erősen szóba jön az anyagok teherbírása is. Mivel a sűrítés által az égési csúcs- és középnyomás is nő, ezért az alkatrészek mechanikus-, és hőterhelése is nő. Erősebb, jobban ötvözött anyagok, kellenek, amik jelentősen növelik a motor árát. Itt csak ez szab határt a fejlődésnek.

A benzinesek esetében, mint azt már az Otto-körfolyamat végén is feszegettem, a Dieselekkel szemben pont ellentétes a cél: sohasem gyulladhat be magától a keverék. Tehát azt a lehető legmagasabb kompresszió-viszonyt kell megtalálni, amikor még stabilan kívül lehet maradni az öngyulladás tartományán. Régebben, az 50-es évek előtt és körül az üzemanyagok minősége miatt még rendszeres volt a 6-7 körüli viszony is, de napjainkra már átlagban 11-es értéket is elérhet egy szívóbenzines. Sportmotorok esetében ma akár 12-es sűrítési viszony feletti érték is előfordulhat, de ehhez már különleges, magas kopogás-állóságú üzemanyagra van szükség, valamint a gyújtás nagyon finom szabályozhatóságára. (Gyújtás témakörről szintén később). Mivel régebben elektronika szinte semmi nem volt az autókban, így a gyújtás is teljesen mechanikus módon volt vezérelve. Így egy röpsúllyal meg lehetett oldani a fordulatszám-változás igényelte előgyújtás-növekedést, ami pedig a terhelésváltozás okozta előgyújtási szögkorrekciót illette, egy (vagy akár több) vákuumdob segítségével ezt is meg lehetett oldani. De mivel ezek a szerkezetek nem voltak képesek figyelembe venni sem az üzemanyag minőségét, sem a levegő páratartalmát és hőmérsékletét, sem a légköri nyomást, így kellően messzire kellett beállítani a gyújtást az kopogási határtól. Emiatt jó kicsire vették a kompressziót és szintén jóval a szükséges érték alatt maradt az előgyújtás is. De a gyújtás finomságairól inkább a neki fenntartott cikkben…

Az előzőekből következik, hogy a kompresszió növelésével plusz teljesítmény nyerhető, hiszen a nagyobb sűrítéshez nagyobb sűrítési végnyomás és hőmérséklet tartozik, majd az égés is erről a magasabb nyomású pontról indul el. És mivel az égés előtti nyomás és hőmérséklet is magasabb, így az égési csúcsnyomás is magasabb lesz, ami a dugóra ható nagyobb erő miatt plusz nyomatékot jelent majd a főtengely végén. Ez számszerűen: egy ~7-es értékről ~10-11-re való növelés hozzávetőlegesen +10-12%-ot jelent. Tehát oltári növekedésre azért nem kell számítani ezáltal, de sok kicsi sokra megy!

Termikus hatásfok

Termikus hatásfok

De ha ennyire egyszerű a teljesítménynövelés, akkor miért ácsorognak a benzinüzemű motorok még mindig 10 körüli sűrítési viszonynál? Erre a kérdésre a jobboldalon látható kép ad választ. Egyrészt van egy PeakFiringPressure (égési csúcsnyomás), aminek az anyagszilárdság szab határt. Erre a leglátványosabb példát alább láthatjátok: kiválóan látszik, ahogy a blokk kettészakadt a forgattyústér és a hengerek aljának a találkozásánál. Persze nem blokk szokott elsőnek kettétörni; előbb még ott van a hajtókar, a főtengely, stb.

Aztán a következő hátráltató tényező az üzemanyagok kompressziótűrése. Minél nagyobb a sűrítési végnyomás, annál hajlamosabb a benzin a detonációs égésre. (Ennek részleteire majd a gyújtás fejezetben térek ki). A detonációs égés elkerülésére az előgyújtás csökkentése kínálkozik a legkézenfekvőbb megoldásnak. Tehát összegezve, ha növeljük a sűrítést, akkor egy idő után csökkentenünk kell az előgyújtást. Szóval amit nyerünk a révnél, elvesztjük a vámnál. És így már értelmezhető a fenti ábra: a sűrítés növelésével nő a benzin kopogási hajlama, s így kell egyre csökkentenünk az előgyújtást (piros=> zöld=>kék)

Ha túl nagy a PfP...

Ha túl nagy a PfP...

Következő kérdés lehet, hogy feltöltött motorok esetében miért alacsonyabb a kompresszió? A feltöltés miatt ugyanis nagyobb tömegű levegő kerül a hengertérbe és ennek a sűrítése miatt magasabb nyomás és hőmérséklet jön létre, ami egyre inkább kedvez az kopogásos égés kialakulásának. És mivel ezt el akarjuk kerülni, növeljük azt a térfogatot, amekkorára össze fogja sűríteni a dugattyú a keveréket, így nagyobb lesz a sűrítés utáni térfogat, így kisebb lesz mind a nyomás, mind a hőmérséklet, tehát alatta tudtunk maradni az kopogásos égés tartományának. De mivel több levegőhöz több üzemanyagot is lehet elégetni, ezáltal nyerünk a látszólag kedvezőtlen kompresszió-csökkentés ellenére plusz teljesítményt.

Ha persze 7bar-ral töltjük a motort, akkor elképzelhető, hogy egy kicsit túllövünk a célon… :-D

Geree