Bels?égés? motorok töltéscseréje

(Szerző: GorCseW (Ille Balázs), utoljára módosítva: 2006.12.05.)

Ezen kis kigyûjtött szemelvény megírására, illetve összeszedésére akkor vállalkoztam amikor igen élénk levlista forgalom keletkezett a vezérmûtengelyekkel kapcsolatban, és többek között nekem is problémát okozott az, hogy mi mikor merre történik és az adatok mit jelentenek. Nem állítom azt, hogy ezen iromány elolvasásával bárki képes lesz majd menő tuningcégeket megszégyenítő minőségû tengelyt tervezni, illetve gyártatni, de remélem, hogy a leírtak elolvasása után mindenki megérti akár teljesen akár részletesen az elméletét a belsőégésû motorok töltetcseréjének és a vezérlési folyamatnak

Mint jeleztem az alább leírtak nem a saját kútfőm szerény képességeinek gyümölcsét mutatják. Ugyanis segítségül hívtam a Belsőégésû Motorok Tervezése címû könyv [jó]néhány oldalát és ábráját.

A könyv szövegén nem nagyon változtattam, így hát, hogyha valakinek kicsit érthetetlennek tûnne a szöveg, akkor az kérem ne nekem tegyen szemrehányást.

A BELSÕÉGÉSÛ MOTOROK TÖLTETCSERÉJE. A TÖLTETCSERE-FOLYAMAT VEZÉRLÉSE

A belsőégésû dugattyús motorok a periodikusan mûködő gépek csoportjába tartoznak, amelyeknek folyamatos munkavégzése úgy jön létre, hogy a munkaközeg meghatározott mennyiségben és időben beáramlik és a munkavégzés után eltávozik a motorból. Ezt az ütemesen ismétlődő folyamatot nevezzük töltetcserének, amely a hengerek töltését és ürítését jelenti. Ennek azonban úgy kell végbemennie, hogy a kipufogó gáz lehetőleg maradék nélkül eltávozzék a hengerből és az friss töltettel teljesen kitöltődjék. A töltetcsere-folyamat tökéletességétől nagyban függ a motor jósági foka és ezzel együtt teljesítménye is.

A folyamatok a motor mûködésmódja, sőt fajtája szerint is eltérők lehetnek. Abban azonban megegyeznek, hogy magát a töltetcsere-folyamatot, a töltési és ürítési folyamat kezdetét és végét vezérelni kell. Ez a töltetcsere folyamat vezérlése, amely a vezérlőmechanizmus által valósul meg. A leggyakrabban alkalmazott megoldás - elsősorban négyütemû motoroknál - az, amikor az átáramlási keresztmetszeteket kúpos ülésû szelepek teszik szabaddá. A legegyszerûbb pedig az, amikor a hengerfal oldalán levő réseket a hengerben mozgó dugattyú nyitja és zárja. E megoldással főként kis kétütemû motoroknál találkozhatunk, mivel külön vezérlőszerkezetet nem igényelnek. Ha a rések tolattyúkon vannak, akkor igen gyors keresztmetszetnyitásokat és -zárásokat érünk el. A tolattyúk többféle kivitelûek lehetnek: pl. forgó mozgást végző sík- és hengeres tolattyúk, valamint alternáló mozgást végző hengertolattyúk. Tolattyúkkal vezérelt töltetcserét két- és négyütemû motoroknál egyaránt lehet alkalmazni. Elsősorban kenési és a hőtágulás következtében fellépő illesztési problémák szabnak gátat elterjedésének.

A négyütemû motorok szelepvezérlése

A töltetcsere a négyütemû motorban két ütem (löket) alatt megy végbe. A friss töltet (benzin-levegő keverék, ill. levegő) kúpos ülésû szeleppel zárható beömlőcsatornán keresztül, a dugattyú szívó hatása vagy a töltőlevegő nyomásának hatására jut a hengerbe. Az égési folyamat lezajlása után az égéstermék ugyancsak szeleppel vezérelt kipufogócsatornán át távozik (1. ábra).

Mivel egyetlen olyan konstrukció sem létezik, amelynél az átáramlási keresztmetszeteket azonnal nyitni és zárni lehetne, továbbá az áramló gázoknak kinetikai energiájuk van, a szelepek nyitási és zárási időpontjait ennek figyelembevételével kell megállapítani.

Ezért az ún. vezérlési diagramot (2. ábra) és az indikátordiagramot (3. ábra) a dinamikai hatások figyelembevételével együtt kell értékelni.

A meggondolásokat a kipufogószelep nyitásával (K. ny.) kezdve: az időpontot úgy kell az alsó holtpont (AHP) előtt megállapítani, hogy egyrészt a sûrítési ütemből kevés vesszen kárba ( V1 terület az indikátordiagramon), másrészt a hengerben a nyomás lehetőleg gyorsan lecsökkenjen.

klikk ide
1. ábra

Töltetcsere megvalósítása félgömb égésterû motorban, kúpos tányérszelepek alkalmazásával (Mercedes-Benz)

É égéstér; H szelepmozgató himbák; K kipufogószelep; Sz szívószelep; SzV szelepvezető hüvely; V vezérmûtengely (bütykös tengely)

Mivel a kipufogószelep nyitásának első fázisában -- a kritikus nyomásviszony felett -- az átáramló gázmennyiség független a hengerben uralkodó nyomástól és csak a szabaddá tett keresztmetszettől függ, a szelepet meglehetősen korán kellene nyitni, amely azonban a kipufogószelep hőterhelését igen megnövelné (különösen, ha a nyitás lassú). A legkedvezőbb kipufogószelep-nyitási időpont megállapítása szempontjából nem az alsó holtpont előtti forgattyúszög értéke a mértékadó, hanem a 2.ábrán látható G felület nagysága.

Ha a nyitási keresztmetszet gyorsabban növekszik a szelepnyitás pillanata közelebb kerülhet az alsó holtponthoz.

- A kipufogószelep zárása (K. z.) sem fejeződhet be a felső holtpontban, mert a gázok kinetikai energiáját a gyorsan csökkenő keresztmetszet ellenére is maximálisan ki kell használni.

- A szívószelep nyitása (Sz. ny.) a felső holtpont előtt történik, mert a szívószelep átömlési keresztmetszete kezdetben csak lassan növekszik, továbbá a távozó kipufogó gázok szívó hatását is ki lehet használni.

Azt az időt, amíg a szívó- és kipufogószelep is nyitva van, szelepösszenyitásnak (átfedés) nevezzük. Azoknál a motoroknál, amelyeknek üzemi fordulatszám-tartománya szûk, továbbá csak levegőt szívnak be (dízel- vagy benzinbefecskendezéses motor), az Õ terület akkora lehet, hogy a kipufogó gázok eltávolítása az égéstérből maradéktalanul megtörténjen. Széles fordulatszámmezőben üzemelő motorokban az összenyitás nem lehet nagy, mert kis fordulatszámon a kipufogó gázok a szívócsőbe nyomulnak, és a szívás során a friss töltettel keveredve azt hígítják. Különösen érvényes ez a többhengeres motoroknál, ahol nem minden henger jut azonos összetételû friss keverékhez.

A felső holtpont után a beömlő keresztmetszetnek nagynak kell lennie azért, hogy a viszonylag kis ( ) nyomáskülönbség hatására is jó legyen a henger töltése. Mivel a kipufogás egy része nagy nyomáskülönbséggel megy végbe, a kipufogószelep kisebb lehet, mint a szívó.

Amikor a dugattyú a geometriai szívási ütem végén az alsó holtpontot eléri, a szívószelep még nyitva van, -hiszen az áramló gázok kinetikai energiájuk révén tovább töltik a hengert. A szívószelepet csak akkor kell bezárni, amikor a felfelé haladó dugattyú a gázokat már vissza akarja tolni a szívócsőbe. Itt ismét nem a szelepzárás (Sz. z.) szöghelyzete a lényeges, hanem a 2.b ábrán látható H terület nagysága. Ha a vezérlési keresztmetszetek görbéje meredekebb (nagyobb méretû szelep), a szelepzárás időpontja is közelebb kerülhet az alsó holtponthoz.

 

klikk ide klikk ide

2. ábra

Négyütemû motor vezérlési diagramjai

vezérlési kördiagram a forgattyú elfordulásának függvényében; b) kiterített szelepnyitási (átömlési keresztmetszet) diagram; K kipufogószelep; S. szívószelep; K ny. kipufogószelep nyit; K z.. kipufogószelep zár; Sz ny. szívószelep nyit; Sz z. szívószelep zár; G alsó holtpont (AHP) előtti kipufogószelep szelepnyitásiidő-keresztmetszet; H az AHP utáni szívás időkeresztmetszet; Õ szelepek összenyitásának időkeresztmetszete a felső holtpont (FHP) környezetében; 1, 2 változó szívószelepzárás jelölése; h_1,2 szelephézag

Kísérleti motoron - amelyen a szelepek zárásának és nyitásának időpontja változtatható volt - megállapították, hogy széles fordulatszámmezőn belül csak a szívószelep zárása befolyásolja lényegesen a motor legnagyobb teljesítményét (és az ehhez tartozó fordulatszámot) és ezzel a motor rugalmassági (elsősorban fordulatszám-rugalmassági) viszonyait (3b ábra).

klikk ide ..klikk ide

3. ábra

A töltetcsere vezérlési idejének hatása a motor mûködésére

a) az indikátordiagram a szelepek nyitásának és zárásának a bejelölésével; a kipufogószelep alsó holtpont előtti nyitása miatti veszteség; veszteség a kipufogórendszer ellenállása miatt; kipufogási nyomás; szívási nyomás; b) a szívószelep zárási idejének hatása a motor jelleggörbéire; 1 korábbi; 2 késleltetett szívószelepzárás`

A vezérlés adataira tapasztalati adatok vannak, de töltetcsere-számítással ma már nagyon jól szimulálható a szelepnyitási és -zárási értékek hatása, és jó közelítéssel megtervezhető kísérletek nélkül is az optimum.

A vezérlési szögek a 1 táblázatban közölt határok között változnak a kivitelezett négyütemû benzin- és dízelmotoroknál.

 

1.táblázat. A szívó- és kipufogószelepek nyitási és zárási szélső szögértékei a forgattyústengely elfordulási szögében mérve

1 Táblázat

Szívószelep nyit

Felsőholtpont előtt 0-80fok

Szívószelep zár

Alsó holtpont után 30-60fok

Kipufogószelep nyit

Alsó holtpont előtt 30-80fok

Kipufogószelep zár

Felső holtpont után 5-70fok

Az általánosan alkalmazott, “rögzített" vezérlési szögek jármûmotoroknál - amelyek széles fordulatszám- és terhelésintervallumban dolgoznak - csak egy meghatározott fordulatszámon adnak optimális körülményeket. Ettől eltérő esetben ugyanis változnak a töltetcsere feltételei.

A szelepek nyitását és zárását a vezérlőbütykökkel ellátott tengelyek) vezérli(k). A bütyköstengely így funkcióját tekintve vezértengely (vezérmûtengely). Mi a továbbiakban az utóbbi, általánosabb megnevezést használjuk.

A vezérmûtengely. Bütyökkialakítások

A belsőégésû motor szelepeit, bármilyen vezérlési rendszerû a motor, a vezérmûtengelyen (bütyköstengely) kialakított bütykök mozgatják.

Kivéve persze, hogyha kényszervezérelve vannak a szelepek, de ezt a szelepvezérlési megoldást manapság már nem nagyon alkalmazzák.

A vezérmûbütyök kialakításával szembeni követelmények

A vezérmûtengelyen kialakított bütykök teszik lehetővé a dugattyú (forgattyústengely) helyzetéhez viszonyított pontos szelepmûködtetést. A bütyökkialakításokat (bütyökprofilokat) három szempont határozza meg alapvetően:

- a szelep nyitási és zárási pontja, - a megkívánt szelepemelkedési magasság,

- a szelepnyitáskor és -záráskor fellépő gyorsulások.

1. A szelepek nyitása és zárása nem az ütemek kezdetén és végén, hanem a holtpontok előtt, ill. után történik. Az eltérések okai a gázdinamikai hatások. A különböző motoroknál szokásos vezérlési szögeket az 1. táblázat tartalmazza.

2. Adott vezérlési szögeknél elsősorban a legnagyobb szelepemelkedési magasságtól () függ a bütyök alapkörsugarának, ill. a vezérmûtengely átmérőjének a nagysága. Túl hegyes vagy lapos bütyökformát nem lehet alkalmazni. Himbás vagy emelőkaros rendszereknél lehetőség van módosító áttétel alkalmazására, így a bütyök emelési magassága kisebb lehet, mint a szelepé.

3. A bütyök egyik legfontosabb feladata, hogy a mûködtető mechanizmus révén - a nyitvatartási időn belül - megfelelő sebességgel nyissa, ill. zárja a szelepet. Itt a szempontok a következők

A henger töltése szempontjából lehetőleg minél nagyobb átömlési keresztmetszeteket kell szabaddá tenni. Ennek érdekében az a cél, hogy a szelep nagy sebességgel nyíljon, hogy a rendelkezésre álló idő alatt a szelep minél magasabbra emelkedjen.

Ugyanakkor a nyitási és zárási sebességnek nem szabad túl nagynak lennie, mert nagy gyorsulások, és emiatt nagy tömegerők lépnek fel, amelyek a vezérlést végző alkatrészeket terhelve, azokat károsíthaják és a vezérlőmechanizmus belengését is előidézhetik.

A két, egymásnak ellentmondó szempont között kell kompromisszumot keresni, tehát olyan bütyökprofilt alkalmazni, amely nagy átáramlási “időkeresztmetszetet" hoz létre, elviselhető gyorsulások mellett.

Mivel a szelepemelkedés ütemét a vezérmû-bütyökprofil és a vele kapcsolódó emelőtalp, -himba, -kar (sima, domború, görgős) együtt határozzák meg, vizsgálatuk is csak együtt lehetséges.

A bütyökkialakításnak ezenkívül olyannak kell lennie, hogy a szükséges szelephézagot is biztosítsa.

  Bütyökprofil-kialakítások

Az alapvető szimmetrikus bütyökformákat a 4. ábrán tüntettük fel, amelyeknél a

jelölések alapkörsugár

alapkörsugár

R a bütyök oldalsugara

a a fél vezérlési szög szimmetrikus profilnál

a szelephézaggal csökkentett alapkörsugár

az átmeneti ív sugara

a max. bütyökemelés

a előnyitási szög a szelephézag miatt

r a bütyökcsúcs lekerekítési sugara

  klikk ide

4. ábra Vezérlőbütyök alaptípusai

a) tangenciális; b) domború oldalú, körívbütyök; c) homorú oldalú vezérlőbütyök-profilok

     

A felsorolt jellemzők általában összetartozó paraméterek, megváltoztatásukkal az emelés jellege is változik.

A tangenciális bütyköt nagyobb vezérlési szögek esetén - pl. turbófeltöltéses dízelmotornál - alkalmazzák. A bütyökcsúcs körívét az alapkörrel egyenes oldal köti össze, ezért csak görgős emelővel alkalmazható. (Sima talppal végtelen nagy gyorsulások lépnének fel!) Körív alakú érintkezőfelületû lengőkarral is alkalmazható. Különösen nagy vezérlési szögeknél (szelepösszenyitás; öblítés) egyik változata, a meredek szögû tangenciális bütyök is szóba jöhet.

A körívekből álló, ún. harmonikus bütyök-profil (b) ábra) elnevezése onnan származik, hogy sík emelőtalp alkalmazásával a foronomiai görbék egyenletei harmonikus (szinusz, koszinusz-) görbékből állnak. Általánosan alkalmazott forma. Továbbfejlesztett változatainál a bütyökoldal, R sugár helyett, több különböző sugarú közös érintőjû körívekből áll.

A homorú oldalú körívbütyök lassú fordulatszámú, nagy vezérlési szögû, nagy vezérlési időkeresztmetszetet biztosító bütyök (c) ábra). Csak görgős emelővel használható. Manapság már nem alkalmazzák.

Az említett háromféle bütyöktípus közös alapra vezethető vissza. Ezt bizonyítja az oldalív sugaránák kifejezése is

b, a , illetve c ábránál [fentről lefelé]

  Az emelés mozgástörvényei

Minden - geometriai méreteivel adott - bütyökprofil esetében a vele érintkező (általa mozgatott) emelőtalp alakjának ismeretében az emelés, az emelési sebesség és gyorsulás egyenletei a bütyök elfordulási szögének függvényében meghatározhatók. Ezek a számítások olykor hosszadalmasak, ilyenkor gyorsabb az útgörbe megszerkesztése, és ebből grafikus differenciálással a sebesség- és gyorsulásgörbe meghatározása.

Az egyenletek a síktalppal érintkező harmonikus-bütyöknél a legegyszerûbbek. A 5. ábra abban a helyzetben ábrázolja a bütyköt, amikor az érintkezési pont az emelési görbe inflexiós helyzetének felel meg. Az ábra jelölései alapján az inflexiós helyzetnek (B) megfelelő bütyökelfordulás

ahol és klikk ide5. ábra

A domború oldalú körívbütyök mûködési mechanizmusa

a) a bütyök geometriája az emelés, a sebesség és a gyorsulás meghatározásához síktalpú emelővel; b) a foronomiai görbék; h emelés; v sebesség; a gyorsulás

 

Az AB( szakaszon a bütyök gyorsulva emel

emelési út:

sebesség:

gyorsulás:

A BC szakaszon a bütyök lassulva emel

emelési út: sebesség : gyorsulás :

ahol a vezérmûtengely forgásának a szögsebessége. Az egyenletek felírásakor a szelephézag nem lett figyelembe véve!

Jellemző a bütyökre a legnagyobb pozitív és negatív gyorsulások hányadosa (h ), amelyet a geometriai viszonyok határoznak meg:

Célszerû, hogy h <= 4 legyen, mert a túl nagy nyitógyorsulás a vezérmûrészeket nagyon igénybe veszi. De h <<4 [tehát hogyha h értéke sokkal kisebb mint 4] esetén, a negatív inerciaerőket a szeleprugó már nem tudja legyőzni, és a vezérmûrészek elválhatnak egymástól.

Ez szokott előfordulni akkor is amikor nem megfelelő a vezérmûtegely és a szeleprugók párosítása, és nagy fordulaton a szelepek szinte csak lebegnek se idő nincs arra, hogy zárni lehessen rendesen őket se az ébredő tömegerőket nem képesek legyőzni a szeleprugók, ilyenkor, hogyha a szelepek késnek a vezérléshez képest jobb esetben csak ½szögletesre½ kopik a vezérmûtengely, rosszabb esetben akár össze is gubancolódhatnak teljesen a dugattyúval illetve az égéstér kialakításától függően akár egymással is, mint fogak a szájban egy jól irányzott jobbegyenes hatására.

Különleges bütyökprofilok

Az eddig tárgyalt bütyöktípusok közös sajátossága és egyben hátránya, hogy a nyitás pillanatában a gyorsulás dt=0 idő alatt éri el a legnagyobb gyorsulási értéket. Az inflexió helyén ugyancsak végtelen rövid idő alatt vált előjelet. Emiatt a szelep nyitásánál egy ún. nyitólökés lép fel, amely az egymással érintkező vezérmûrészeket dinamikusan igénybe veszi. Záráskor pedig ütésszerûen éri el a szelep a szelepülést és az idő előtt kiverheti. Nem kisebb problémát jelent a gyorsulás előjelváltásánál fellépő hirtelen erőhatás változás a szeleprugó szempontjából.

Ezeket a kellemetlen hatásokat csökkenteni lehet a bütyökoldal átmeneti körívekkel való kiképzésével (6. ábra). Az átmeneti ívek szaporításával a bütyökemelés hirtelen gyorsulásváltozásai csökkenthetők.

 klikk ide

6. ábra

Átmeneti íves körívbütyök a) profilkialakítása; b) mozgásdiagramjai

A dinamikai hatások radikálisan csökkenthetők az ún. lökésmentes bütyök alkalmazásával. Ennek a gyorsulásgörbéje folyamatos, nincs szakadása. A 7. ábrán ezt szaggatott vonallal jelöltük. Az ábrán látjuk az ún. előnyitás, azaz a szelephézag megszüntetésének a görbéit is.

Lényegesen eltér egymástól a hagyományos és a lökésmentes bütyökprofil tervezése.

klikk ide
7.ábra
A hagyományos bütyök - amint ezt láttuk - geometriailag egyszerû, körívekből álló profil. Előnye, hogy viszonylag könnyen számítható a gyorsulása. A gyorsulás jellege azonban olyan, hogy az sztochasztikus erőhatást, kellemetlen rugó- és szeleplengéseket okozhat.
Ha valaki érti ezt és behatóbban akar bütyökprofil tervezéssel és számítással foglalkozni az szóljon és akkor elküldöm Neki azokat az egyenleteket amik a rendelkezésemre állnak.
Ezeknél a bütyköknél mindig alkalmaznak egy előnyitási szakaszt, amellyel a szelephézag megszûnésének pillanatában (bütyöktalp érintkezés) az emelési sebesség állandó (a = 0). A nyitás kezdetén a sebesség csak mérsékelten nő, hogy nyitólökés ne keletkezhessen.

Különböző típusú vezérmûbütyök mozgásdiagramjai ( szelephézag)

Mivel emiatt kezdetben az emelési görbe is nagyon lapos, a gyakorlatban nehéz pontosan meghatározni a szelepnyitási és -zárási szögeket. Ezért pl. egyes motorgyárak nem is ezeket írják elő, hanem egy adott - könnyen ellenőrizhető - szelepemelkedéshez (rendszerint 1 mm) rendelik a nyitási és a zárási értékeket.

Az emelési görbe ismeretében a bütyökprofil ugyancsak matematikai úton vagy szerkesztéssel határozható meg. A profil kontúrvonalát - az alkalmazott emelőtalp profiljától függően - az érintési pontok összege adja meg. Ennek az eljárásnak a lényegét szemléltetjük a 8. ábrán, ahol egy görgős emelőtalppal ellátott lökésmentes bütyökprofil szerkesztésének a vázlatát látjuk.

klikk ide

8. ábra

Bütyökprofil megszerkesztése adott emelési (h) görbéből

a bütyökprofilt meghatározó érintési pontok, r az emelőtalpgörgő sugara

 

Ma már gyakran alkalmazzák az aszimmetrikus profilú bütyköket is. Ezzel elérhető, hogy a szelep lassabban (kisebb gyorsulással) ül vissza az ülésére, így annak kiverődése elmarad. A használat során megkopott bütyökfelület nem javítható. A legkisebb alaki eltérés is,amely a szelepemelésben alig jelent eltérést, a szeleprugóra nézve már jelentősen megváltozott igénybevételt jelent.

A vezérmû-bütyökpárokat (szívó- és kipufogó-) a vezérmûtengelyen helyezkedik el. A bütyökpárokat a 1. ábra alapján kb. 100...110°-kal elékelve képezik ki, míg a bütyökpárok a gyújtási távolságnak megfelelően helyezkednek el a hengerek gyújtási sorrendjének megfelelően. A rendszerint kovácsolt vagy öntött kivitelû tengely bütykeit hőkezelik (keményítik), és pontos méretre köszörülik. A csapágyak átmérője - szerelési okból - a bütyök méreténél nagyobb. A csapágyak számát és a tengely átmérőjét úgy kell meghatározni, hogy a tengely lehajlása a 0,05 mm-t ne lépje túl. A bütyök és az emelőtalp közötti feszültséget ellenőrizni kell.