Belsőégésű motorok

A belsőégésű motorok a hőerőgépek legelterjedtebb típusai. A hőközlés magában a munkatérben történik, miközben a beszívott levegőben a tüzelőanyag elég; a munkaközeg az égéstermék. E dugattyús motorokban nyílt körfolyamat játszódik te, a munkát végzett füstgáz komoly, de a korszerű környezetvédelmi technológiáknak köszönhetően egyre csökkenő légszennyezést okozva a környezetbe áramlik ki. A jellemző körfolyamatokat a 2.2.4.1.ábra mutatja, nyomás-térfogat koordináta-rendszerben. Az Otto-körfolyamatban (2.2.4.1.ábra[a]) a levegő-benzin keveréket kompresszió (1−2) után villamos szikra gyújtja meg, ugrásszerű nyomásnövekedés következik be adiabatikusan (2−3), lejátszódik az expanzió (3−4), majd a füstgáz kipufog (4−1). A Diesel-körfolyamatban (2.2.4.1.ábra[b]) a kompresszió (1−2) után a levegőbe állandó nyomáson juttatják be a gázolajat (2−3), amíg öngyulladás nem következik be, ami az expanzióra (3−4) vezet, majd a füstgáz kipufog (4−1). A valóságos körfolyamat mindkét motortípusnál eltér az elméletitől, egyrészt az ideálistól eltérő állapotfüggvények miatt, másrészt a gyulladási és égési viszonyok optimalizálása más időzítést igényel, például a 2.2.4.1.ábra(c) szerint.

A benzin- vagy Otto-motor (2.2.4.2.ábra) könnyű, gyorsan és rugalmasan szabályozható nagy fordulatszámú erőgép. Főleg a kis önsúlyú járművek (személygépkocsi, motorkerékpár, kis raksúlyú tehergépkocsi, motorcsónak) és a kisebb mobil munkagépek (szivattyúk, kompresszorok, anyagmozgató-berendezések, mezőgazdasági és építőipari munkagépek) célszerű erőgépe. Arepülés területéről a gázturbina jóformán kiszorította. Igénytelenebb feladatokra kétütemű, egyébként négyütemű kivitelben készül. A csak kis teljesítményre alkalmas kétütemű motornál elmaradnak a közegek áramlását szabályozó szelepek és a szelepeket működtető vezérlőrendszer; a be- és kiömlést maga a dugattyú szabályozza. Az egyszerű konstrukciónak tökéletlenebb égés az ára, ami l5−25%-kal magasabb fajlagos üzemanyag-fogyasztással és sokkal nagyobb környezetszennyezéssel jár, mint a négyütemű megoldás. Ezért a kétütemű motorok kiszorulóban vannak a használatból. A motorok üzemanyaga alapvetően benzin, de kivételesen benzol, petróleum, alkohol vagy magas fűtőértékű gáz is szóba jöhet. Legfőbb hátránya az alacsony energetikai hatásfok, ami optimális terhelésnél 25% körül mozog, attól eltérő terhelésnél viszont lényegesen kisebb. A bevezetett energiának átlagosan 20−26%-a fordítódik mechanikai munkavégzésre, 20−33%-a a hűtőközegben távozik, 25−35%-a a kipufogógázban, a tökéletlen égés 15%-ig terjedő veszteséget okoz, és az egyéb veszteségek (sugárzás, áramlási veszteségek stb.) 10−25%-ot tesznek ki. A könnyű szerkezet megtartása mellett a hatásfok számottevő javítására kevés a kilátás. Ennek ellenére egyelőre versenytárs nélkül áll, mert az 500W/kg körüli fajlagos teljesítményét más erőgépekkel még meg sem tudják közelíteni. Az Otto-motorral még a benzinnél sokkal kisebb fűtőértékű üzemanyagokkal is (pl. földgáz, kőolajkísérő gáz) 300W/kg-ot lehet biztosítani.

2.2.4.1. ábra

2.2.4.2. ábra Forrás: http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2009.web/Isaac_Hebert/Otto_Cycle.html

A négyütemű benzinmotor időben egyenlőtlen teljesítményét több – időben eltolt ütemű – henger használatával teszik egyenletesebbé. Egy időben nagy reményeket fűztek a forgó dugattyús Wankel-motorhoz (2.2.4.3.ábra), amely egyenletesebb mechanikai teljesítményt szolgáltat. E drágább, bonyolultabb szerkezet hatásfoka azonban a tapasztalatok szerint elmarad a hagyományos megoldás mögött, és környezetszennyező hatása sem kisebb.

Ezért a Wankel-motornak sem gazdasági, sem energetikai szempontból nem jósolnak nagy jövőt.

2.2.4.3. ábra Forrás: http://www.prelovac.com/vladimir/wp-content/uploads/2008/01/wankel-1.jpg

2.2.4.4. ábra Forrás: http://www.myrctoys.com/faqs/engine-diagrams-and-animations

A Diesel-motor (2.2.4.4.ábra) robusztusabb kivitelű, kevésbé rugalmas, de energetikailag hatékonyabb erőgép.

A fokozatos tüzelőanyag-betáplálás és a nagy nyomás (30−40bar) ugyanis lassabb és tökéletesebb égést biztosít.

Gazdaságosabb üzeme miatt nagyobb személygépkocsikban is alkalmazzák. Míg Otto-motorok legfeljebb néhány 100kW teljesítményig készülnek, Diesel-motorokkal több MW-os teljesítmény is elérhető, így nagy teljesítményre kizárólagos a használatuk. Üzemanyaga elsődlegesen gázolaj, néha kátrányolaj, készülnek Diesel-üzemű gázmotorok is sokféle éghető gázra (földgáz, kohógáz, városi gáz, generátorgáz stb.). A kisebb Diesel-motorok optimális hatásfoka 35% körül mozog, a nagyoké 40−45%, a hatásfok szintén erősen függ a terheléstől, de részterhelésnél lényegesen jobb, mint a benzinmotoroké. Hőmérlegükben átlagosan 20−40%

fedezi a mechanikai munkát, 20−32% távozik a hűtéssel, 20−29% a kipufogógázzal, a tökéletlen égés 15%-ig terjedő veszteséget okoz, az egyéb veszteségek aránya l4−15%. Nagy motoroknál a hatásfok javítására jóformán általánossá vált a feltöltés alkalmazása, villamos motorral vagy a kipufogógázzal hajtott turbina segítségével kompresszort hajtanak meg, ami túlnyomással juttatja a levegőt a munkahengerbe, a természetes szívást meghaladó levegő mennyiség tökéletesebb égést és nagyobb hasznos teljesítményt eredményez. ADiesel-motorok hatásfokának lényeges növelését a szerkezeti anyagok adottságai korlátozzák.

A Diesel-motorok fajlagos teljesítménye csak 250−350W/kg, ami lényegesen elmarad a benzinmotoroké mögött, ezért a Diesel-motorok nehezebbek, nagyobbak és drágábbak. A lényegesen jobb hatásfok viszont energetikai szempontból a Diesel-motorok szélesebb körű használatát teszi kívánatossá.

2.2.4.5. ábra

A 2.2.4.5. táblázat összehasonlításul az átlagos konstrukciójú belső égésű motorok optimális hatásfokát tekinti át teljes terhelésnél. Az energetikai hatékonyság mellett és a növekvő motorizáció miatt egyre nagyobb súllyal esik latba az erőgépek megítélésénél a környezetszennyezés. A két motortípus összehasonlítására a legkellemetlenebb CO-szennyeződés mértékét mutatjuk (2.2.4.6.táblázat), ami szintén a Diesel-motor javára billenti a mérleget.

2.2.4.6. ábra

A maximális hőmérséklet benzinmotorban 2200−2700°C, Diesel-motorban 2000°C, az átlagos gázhőmérséklet pedig benzinmotornál 400−850°C, Diesel-motornál 300−600°C. A szerkezeti anyagok mechanikai szilárdságának, valamint a kenőanyagok kenőképességének biztosítása hűtést igényel, szikragyújtású motoroknál ez még az öngyulladás elkerülése miatt is szükséges. Kis teljesítményű motoroknál léghűtést is alkalmaznak, általánosabb azonban a vízhűtés, amelynél a felmelegedett víz hőcserélőn keresztül adja le a felvett hőt a levegőnek. Járműveknél a hűtőközegben és a kipufogógázban távozó hő – ami a bevezetett energiának 40−70%-a – általában elvész. Azt legfeljebb a jármű fűtésére lehet felhasználni, ez a hőigény viszont ritkán haladja meg a felhasznált energia 15−20%-át. Stabilis gépeknél ennek a hulladékhőnek a hasznosítása kiváló lehetőséget kínál az energiafelhasználás racionalizálásra, amelyet a gázmotorok nagyarányú térhódítása mutat a kapcsolt energiatermelésben.