A feltöltetlen 4-ütemű dízelmotor főmunkafolyamata

A belsőégésű motorokban végbemenő energiaátalakulás jóságát a főmunkafolyamat vizsgálatából lehet megállapítani. A főmunkafolyamat sűrítésből, égéssel történő hőközlésből, expanzióból és (a kipufogó szelep nyitása utáni) nyomásesésből áll (2.16. ábra).

Szigorúan véve a főmunkafolyamatot képező állapotváltozások a 9-2-3-4-5-6-9 pontok között való-sulnak meg. Nem követünk el azonban nagy hibát és az egyszerűség kedvéért a továbbiakban mi is így vesszük, ha a munkafolyamatnak az 1-2-3-4-5-1 pontok közötti állapotváltozások által határolt munkaterületet tekintjük.

(2.15) (2.14) (2.13)

2. KÖRFOLYAMATOK. DÍZELMOTOROK VALÓSÁGOS MUNKAFOLYAMATAI 41

2.16. ábra. Feltöltetlen 4-ütemű dízelmotor főmunkafolyamata

Az ideális motor körfolyamata szolgáltatja adott körfolyamat-típusra a legjobb hatásfokot és a leg-nagyobb munkaterületet. A tökéletes motor munkafolyamatának hatásfoka és munkaterülete ennél már kisebb a munkaközeg fajhőjének a hőmérséklettől való függése miatt. Ugyanakkor a hatásfok és a nyert munka annál a körfolyamatnál maximális, amelynél a hőbevezetés állandó térfogaton tör-ténik, vagyis a közölt hő a legnagyobb térfogathatárok közötti expanzióban vesz részt. A gyakorlat-ban reálisan megvalósítható határok szabják meg a körfolyamat jellegét. Az egyes állapotváltozások nem a tökéletes motornál ismertetett módon valósulnak meg, ez további veszteségek forrása. A veszteségek okaival, csökkentésük lehetőségeivel egy későbbi fejezetben még behatóbban fogunk foglalkozni. E helyen a főmunkafolyamatot alkotó állapotváltozások jellegére mutatunk rá.

A sűrítési folyamat a valóságos motor hengerében nem adiabatikus, hanem politropikus,

konst v

p ⁿ¹  ., ahol n1 a sűrítés politropikus kitevője dízelmotoroknál: n1=1,33-1,35 között van az egész sűrítési folyamatra vonatkoztatva. Az adiabatától való eltérés oka az, hogy a henger nem hő-szigetelt, a henger és a munkaközeg között hőcsere van. A sűrítés kezdeti szakaszán a meleg hen-gerfalakról áramlik a hő a hideg munkaközegbe. Később – a sűrítés következtében – a munkaközeg hőmérséklete növekszik és eléri a hengerfal hőmérsékletét. A hőmérsékleti egyensúly pontjában (tehát egy bizonyos dugattyúelmozdulásnál) nincs hőcsere a henger és a munkaközeg között, ez a sűrítés folyamatának egyetlen adiabatikus pontja. A további kompresszió során a hő áramlásának iránya megfordul, a melegebb közegből a viszonylag hidegebb hengerfal felé halad. A folyamatban az n1 politropikus kitevő először nagyobb a κ adiabatikus kitevőnél (az adiabatikus pontig), majd az adiabatikus pontban azzal egyenlő, végül a sűrítési folyamat nagyobb részében annál kisebb, n₁<κ.

Az n₁ politropikus kitevő értékét a résveszteségek, tehát a kompresszió közben a dugattyúgyűrűk mellett megszökő levegő mennyisége is befolyásolja. A résveszteség normálisan működő dugattyú-gyűrűk esetében a V1 lökettérfogatnak kb. 0,5%-a. A fentebb megadott n1=1,33-1,35 átlagérték, amelyet a kompresszió kezdeti és végnyomásának mérés útján történő meghatározásából nyertek.

Végeredményben a kompresszió végnyomása alacsonyabb lesz a valóságban, mint az adiabatikus sűrítés feltételezésével, és az egész folyamatra vonatkoztatva a munkaközeg hőveszteségével kell számolni. A hőveszteség (tehát n1 is) függ a fordulatszámtól (nagyobb fordulatú motornál a hőát-adásra rendelkezésre álló rövidebb idő miatt kisebb), a kompresszióviszonytól (nagyobb kompresszióviszonynál a munkaközeg és a hengerfal közötti nagyobb hőmérsékletkülönbség miatt a hőveszteség nagyobb), valamint a henger méreteitől, térfogat/hőátadó felület viszonyától.

Az ideális motorok esetében kívülről történő hőbevezetést feltételeztünk. A tökéletes motornál a hőbevezetést égés útján valósítottuk meg, azonban feltételeztük, hogy ez részben állandó térfogaton, részben pedig állandó nyomáson történik. A gyakorlatban ez nem valósítható meg.

Elsősorban az állandó térfogaton, tehát Fhp-ban történő hőbevezetésnek vannak akadályai. Az égés-térbe a tüzelőanyag nem egyszerre, hanem a befecskendezéssel, folyamatosan jut be. Az égéségés-térbe bejutott egyes tüzelőanyagrészecskék meggyulladásának körülményei egymástól eltérőek, ezért az égési folyamat kezdete bizonyos időszakaszt ölel fel. Az égési folyamat kémiai reakciók sorozata, ezek lejátszódásához, tehát a hőfelszabaduláshoz, ugyancsak időre van szükség. Az említett okok miatt az égés útján történő hőfelszabadulás nem történhet egyetlen időpillanatban, tehát pl. a Fhp-ban, hanem csak – bár igen rövid – de mégis véges időtartam alatt. Ez azt jelenti, hogy az izochor állapotváltozás helyett, attól eltérő, teljesen általános politropikus állapotváltozást kapunk. A hőfel-szabadulás ütemének függvényében nő a munkaközeg hőmérséklete és ezzel a nyomása. A 2. és 3.

pontok közötti, végtelen rövid idő alatti nyomásnövekedés helyett gyors, de mégis fokozatos nyo-másnövekedést kapunk. Az izochor nyomásnövekedés amellett, hogy fizikailag nem kivitelezhető az égés véges időtartama miatt, a motor szerkezeti elemeinek igénybevétele szempontjából nem is kívánatos. A végtelenül gyors nyomásnövekedés nagy dinamikus erőket ébreszt és a munkafolya-matot rendkívül zajossá teszi, ezért a nyomásnövekedés sebességét korlátozni kell.

Az állandó nyomáson történő hőbevezetés megvalósítása szintén elég nagy akadályokba ütközik.

Az ilyen állapotváltozáshoz – az időközben elkezdődött expanzió miatt – az lenne szükséges, hogy a folyamat során először egyre több hő szabaduljon fel, majd a hőfelszabadulás fokozatosan csök-kenjen. Ilyen tökéletesen szabályozott hőfelszabadulást igen nehéz megvalósítani.

Az égésfolyamat áttekintését nehezíti az a tény, hogy közben a felszabaduló hőmennyiség egy része a henger falain keresztül a hűtőközegbe távozik.

Az expanzió folyamata a valóságos motor hengerében nem adiabatikus, hanem szintén politropikus,

konst v

p ⁿ²  ., ahol n2 az expanzió politropikus kitevője, dízelmotoroknál n2=1,22-1,28 körül mo-zog. Az adiabatától való eltérés oka az, hogy a henger nem hőszigetelt, a munkaközegből hő áram-lik a falakon át a hűtőközegbe. Ugyanakkor az expanzió kezdeti szakaszán az égés elhúzódása miatt további hőbevezetéssel kell számolni. Ez a hőbevezetés olyan mértékű lehet, hogy az expanzió kez-deti szakasza közel jár az izotermához. Az expanzió vége felé növekszik az n2 politropikus kitevő, értéke elérheti az 1,5-öt is. A fentebb megadott n2=1,22-1,28 átlagérték, amely az egész expanzióra vonatkozik.

Magas hőmérsékleten fellép az égéstermékek disszociációja. Ez azt jelenti, hogy az égés során lét-rejött vegyületek magas hőmérsékleten felbomlanak, majd a felbomlást előidéző ok megszűnte után, tehát alacsonyabb hőmérsékleten, önmaguktól visszaalakulnak az eredeti vegyületté. A belső-égésű motorok üzemében a disszociáció az expanzió ütemben játszódik le. Elsősorban a szén-dioxid és a vízgőz egy részének disszociációjával kell számolni:

2

a képletekben a felső nyíl az égési reakció, az alsó nyíl pedig a disszociáció irányát mutatja. A disz-szociáció hőt von el a környezetből, tehát csökkenti a munkaközeg hőmérsékletét és nyomását. Az expanzió vége felé az égési reakciók elvileg ismét lejátszódnak, a valóságban azonban az ott fellépő alacsony hőmérsékleten és nyomáson ez nem valósul meg tökéletesen. Az alacsonyabb nyomásszint a munkaterület csökkenését vonja maga után. Az expanzió végén visszaalakuló vegyületek felsza-baduló oxidációs hője pedig nem a legtágabb térfogathatárok között végez munkát, ezért a disszoci-ációs égés a munkafolyamat hatásfokát is rontja. Dízelmotoroknál a viszonylag alacsonyabb égési csúcshőmérsékletek (1800-2200 K) miatt a disszociáció csekély mértékű. Jelentősebb azonban az

(2.17) (2.16)

2. KÖRFOLYAMATOK. DÍZELMOTOROK VALÓSÁGOS MUNKAFOLYAMATAI 43

Otto-motoroknál, ahol az égésfolyamat maximális hőmérséklete 2500-3000 K között van, számítá-soknál ezt figyelembe kell venni.

Az expanzióütem végén a kipufogó szelep nyitása után a hengerben gyorsan csökken a nyomás. A dugattyú Ahp-i állásában a hengerben a nyomás sokkal alacsonyabb, mint az az expanziógödréből adódna. A munkaterületet határoló vonal az 5 pont környezetében nagy „lekerekítéssel” megy át a gázcserefolyamat kitolási szakaszába.

A valóságos motor főmunkafolyamatát is berajzoltuk a 2.16. ábrába. A főmunkafolyamat kiindulási pontja a szívás végpontja, tehát az 1-es számú pont. A sűrítés és az expanzió vonalait úgy rajzoltuk meg, mintha az n1, illetve n2 átlagos politropikus kitevő értékek végéig állandóak lennének.