OF ROTARY COMBUSTION ENGINES
3. A BELS Ő ÉGÉS Ű MOTOROK EL Ő NYEINEK ÉS HÁTRÁNYAINAK ÖSSZEVETÉSE
Fő előnyök Az Otto motor előnye az igen magas szintre jutott továbbfejlesztése, amely sok, az első konstrukciókat terhelő problémát megoldott. A javítások között említhetjük a jobb gázcserét jelentő négyszelepes kialakítást, a változó szelepvezérlést, a motorvezérlő által kezelt benzinbefecskendezést, a jobb kompressziót és termikus hatásfokot eredményező kompresszoros kivitelt, a könnyített dugattyúk alkalmazását, a jó tömítettséget és olajfelhasználást, illetve ezen keresztül környezetkímélést eredményező kifinomult gyűrűrendszert a dugattyúkon, a zajszegény bordásszíjakat a vezérlésben, a katalizátorok és a lambdaszonda alkalmazását a kis környezetterhelés elérésére, stb. Pillanatnyilag a három motortípus közül a legjobb a környezetkímélésük, azonban ez magyarázható a messze előretartó tökéletesítettségükkel is. A 6. ábra felső része mutatja a működési ütemeket.
6. ábra Az Otto, a Wankel és a Dudás-féle motor működési ütemeinek összevetése.
Megfigyelhető, hogy a forgódugattyús motorokban több ütem van egyszerre jelen
87
A forgódugattyús motorok előnye az alternáló dugattyúsokhoz képest a hihetetlen simaságú futás, a nyugodt járás és a kompakt felépítés. A magas fordulatszámuk és az igen jó teljesítmény/súly arány miatt inkább versenyautókhoz alkalmasak. A Dudás-féle motornál elérhető a beömlés teljes egyenletessége is, illetve a kipufogás nyomását is szabályozhatjuk a kipufogóüreg hosszának változtatásával, bár ez szilárdsági kérdéseket is felvet.
Fő hátrányok A Wankel motor az áramlások vezérlését tekintve gyakorlatilag a hagyományos kétütemű motorokkal rokon, ahol a nyílásokat a dugattyú nyitotta, zárta. A gond is hasonló, azaz az expandáló gáz még nem égett el teljesen, amikor a kiömlőrés már nyit. Ezért csap ki láng a motorból, ami üzemanyagveszteség, teljesítményveszteség és környezetszennyezés egyszerre. Éppenséggel az utóbbin lehet segíteni egy katalitikus utánégetővel, de ez nem igazi megoldás. A ház beömlő és expanziós fele közötti állandó hőmérsékletkülönbségnek kitett, a kamrafelületekkel érintkező éltömítésen jelentkező igen gyors ciklikus hőmérsékletváltozás magas követelményeket támaszt a tömítés anyagával szemben, Mindezek a működésbeli gondok nem látszanak elsőre a zseniális geometriai kialakítást szemlélve. A csúszó él- és oldaltömítések kenése érdekében a szívóüregbe befecskendezett olaj égése magas károsanyag- és szagkibocsátást jelent, amely jól ismert a dízel motorok révén, melyek úgy tűnik, szintén csatát vesztettek az egyre szigorodó környezetvédelmi elvárások frontján. A három motortípus közül a Wankel motor fogyasztja a legtöbb olajat, ennek minden hátrányával együtt.
Csapágyazás Az excentrikus tengely miatt mind az Otto, mind a Wankel motorok siklócsapágyazásúak, amelynek súrlódási vesztesége működés közben nem jelentősen rosszabb a gördülőcsapágyakétól, de határfordulatszámuk kisebb és az indításnál és leállásnál fellépő vegyes súrlódás miatt is hátrányosabbak, nagyobb veszteséget okoznak. Ugyanakkor a dinamikus terhelést jobban elviselik, ami motoroknál üzemszerű jelenség. A rotorsúrlódás nélküli Dudás-féle motor működéséhez egyértelműen a golyóscsapágyak illenek, melyek kerámiából is készülhetnek, így nem akadályozzák az igen magas, akár 40 000/min fordulatszám és igen magas hőfok elérését sem, és előnyük a könnyű kismértékű előfeszíthetőség, amely szükséges a szűk működési hézagokkal üzemelő forgórészek csapágyazásához.
Hatásfok Hatásfok szempontjából összevetve az Otto motorokat a Wankel motorral kijelenthető, hogy a forgattyús hajtómű 1% körüli veszteségével a Wankel motor 10%
vesztesége áll szemben, ami abból ered, hogy a kompresszióviszony nem állítható be a szükséges mértékre, mivel az a geometria által eleve adott. Kis mértékben a háromszögrotor oldalfalába munkált üreg méretével változtatható, azonban ez a kipufogó és a beömlő terek összenyitását is jelenti a kipufogás végén és a beszívás kezdetén, illetve az üregben marad ki nem pufogott gáz, mely helyet vesz el a beszívott keverék elől. Mindezek a problémák a Dudás-féle motornál nem léteznek, mivel kizárólag forgó mozgó alkatrészeket tartalmaz, a kompressziós és expanziós viszonyok egymástól függetlenül tág határok között állíthatók, a beszívott komprimált keverék és az expandáló munkavégző gáz teljesen el van egymástól szeparálva, és az expandálásra és égésre rendelkezésre álló idő önállóan szabályozható. Akár utángyújtás is kivitelezhető az expanziós kamra tetszőleges helyén. Mindez a nagy szabadságfok abból ered, hogy a konstrukció nem síkbeli, hanem térbeli a Wankel motorhoz képest. Nem hallgatható el azonban a Dudás-féle motor azon hátránya, hogy hosszabb kiterjedésű, amely a rotor lehajlásának méretezését igényli, valamint az alakos rotor és különösen az osztott kamra gyártása igényes és összetett, azaz drága. Többek között ez is indokolja ezen alkatrészek kerámiából történő gyártását, mely esetén a hűtésigény és a hőveszteség is elmarad. A súrlódásmentes üregzárás a súrlódási veszteség szempontjából előnyös, a tömítettség szempontjából viszont hátrányos.
88
Geometriai bonyolultság A mai korszerű CNC gépek lehetőségeit, illetve a kerámia alkatrészek gyárthatóságát figyelembe véve a hagyományos Otto motorok és a Wankel motorok egyforma gyártási bonyolultságúak, nem tekintve itt a több/kevesebb alkatrész miatti eltérést. A Dudás-féle motor geometriai bonyolultsága a legnagyobb, ami speciális gyártási eljárást, szoborfelület megmunkálást, illetve kerámia esetén formaöntést igényel.
Kompaktság, teljesítmény/tömeg, teljesítmény/térfogat arány A legkompaktabb a Wankel motor, majd talán az Otto motor következik. A Dudás-féle motor a rotor és forgókamra hossza miatt kevésbé tömör, de megfelelő kialakítással ezen lehet javítani. A legjobb teljesítmény/tömeg aránnyal a Dudás motor büszkélkedhet, ahol a hosszmenti négyféle ütem egyszerre a rotor két oldalán megduplázva zajlik, a Wankel motornál a rotor három oldalán egyszerre három ütem dolgozik, míg az Otto motornál egyidőben csak egyféle ütem látható (6. ábra). Mind a három motorféleség elképzelhető többdugattyús, kompakt kivitelben, ami mind a Wankel, mint az Otto motorok kiegyensúlyozott forgására jó hatással van és a teljesítmény/tömeg arányhoz hasonló teljesítmény/térfogat arány sorrendet eredményez.
A motorok alkatrészmennyisége Az alkatrészmennyiség a Pashcke által módosított, tiszta forgómozgásokat alkalmazó Wankel motorból kialakított bolygódugattyús motor esetén a legkevesebb, mert a fogaskerekek is a ház és a rotor szerves részei. Mivel azonban a tömítések is megjelennek önálló elemekként és a fogaskerekeket külön kell legyártani az eltérő anyagminőség miatt, a Dudás-féle motor alkatrészmennyisége akár kevesebb is lehet. A Dudás-féle motornál a kis excentricitás miatt belsőfogazat a rotornál nehezen alakítható ki. Az alkatrészmennyiség alapján a közel háromszor annyi alkatrészből álló Otto motor áll a sor végén, főként a szelepek és a szelepvezérlés miatt.
A motorok szerelhetősége és javíthatósága A szerelhetőség részben összefügg az alkatrészek darabszámával és kihat a javíthatóságra. A legkönnyebben szerelhető a Wankel motor. Az Otto-féle kialakítás és a Dudás-féle motor egyaránt vet fel szerelési nehézségeket, de a hagyományos motornál inkább a szerelés elnyúlása, míg a Dudás-féle motornál a szerelés precizitásigénye jelent gondot.
A motorok meghibásodási valószínűsége A meghibásodási valószínűsége egyértelműen a Dudás-féle motornak a legkisebb, hiszen a forgódugattyú és a forgókamra csak forog, nem is érintkeznek, a fő hibalehetőség a fogaskerekeknél és a csapágyaknál adódik. A motor végleges verziójának kerámiából kellene készülnie. Cirkónium alapú ipari fogaskerekeket és csapágyakat már ma is vásárolhatunk a kínai webes portálokon (AliBaba.com, AliExpress.com). Tisztán kerámiából kialakítva a motort olajhelyettesítő, a környezetet nem károsító réstömítő anyag alkalmazásával igen környezetbarát kialakítás érhető el, mivel a magas alkalmazható hőmérséklet az égés minőségére is pozitív hatással van. A második helyen a Wankel motornak kellene állnia, amit a kevésbé kiforrott konstrukció még nem igazolt, főként az éltömítések gyakori csereigénye miatt.
4. KONKLÚZIÓ
A cikkben elemeztük az Otto, a Wankel és a Dudás-féle belsőégésű motorok előnyös és hátrányos tulajdonságait, elsődlegesen azzal a céllal, hogy a Dudás motor megvalósításához figyelembe vehessük a korábban a másik két motortípussal szerzett tapasztalatokat és egyrészt megítélhessük a kifejlesztéstől várható előnyöket, másrészt szembesüljünk a kifejlesztés ellen szóló tényekkel. Az elemzés kimutatta, hogy a napjainkban legelterjedtebb, környezetvédelmi szempontból megfelelő konstrukció az Otto motor erőteljesen továbbfejlesztett és kiegészítő berendezésekkel ellátott verziója. A konstrukciós zsenialitásában azt messze megelőző Wankel motor visszaszorulását kismértékben a geometriába kódolt hiányosságok, a kipufogás tökéletlensége, a kipufogógáz keveredése a beszívott keverékkel okozza, erőteljesebben pedig
89
a csúszó alkatrészek kenésigénye miatti nagy olajfogyasztás és az elégett olajból származó károsanyag kibocsátás felelős érte.
A Dudás-féle motor esélyeit a teljesen kerámia kivitel növelné, kihasználva a súrlódásmentességet, de a réstömítéses üzem miatt káros égésterméket nem generáló, kenési szerepet nem, csak tömítési funkciót ellátó üzemanyag komponens kifejlesztését kívánja. E mellett a nagy üzemi hőmérsékletnek köszönhető igen magas termikus hatásfokkal és a konstrukcióból eredő extrém nagy fordulatszámmal a szénhidrogének mozgásenergiává alakításának mindenképpen az egyik perspektívája a csak forgó mozgásokat végző motor.
Köszönetnyilvánítás "A cikkben ismertetett kutató munka az EFOP-3.6.1-16-00011 jelű
„Fiatalodó és Megújuló Egyetem – Innovatív Tudásváros – a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése” projekt részeként – a Széchenyi 2020 keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg"
5. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] 180 éves lenne a benzinmotor atyja, http://www.vezess.hu/hirek/2012/06/12/180-eves-lenne-a-benzinmotor-atyja/, Utolsó elérés: 2017. 05 25.
[2] KINGSHUK, D.: Are Two-Stroke Engines Making A Comeback?, https://auto.ndtv.com/news/are-two-stroke-engines-making-a-comeback-1672384, Utolsó elérés: 2017. 05 25.
[3] Wikibooks: Motoren aus technischer
Sicht; https://de.wikibooks.org/wiki/Motoren_aus_technischer_Sicht/_Druckversion, Mustang360°, 2009. http://www.mustangandfords.com/how-to/engine /mmfp-0903-2004-ford-mustang-kenne-bell-supercharger-install/ Utolsó elérés: 2016. április 1.
[6] DUDÁS, L., BIRÓ, M., NOVÁK, L. L.: Construction Modeling and Manufacturing Analysis of a New Rotary Combustion Engine, 20th Jubilee IEEE International Conference on Intelligent Engineering Systems 2016 INES2016, Budapest 2016 jún.
30-júl. 2. pp.89-94.
[7] PERNA, V.: Equipment with mutually interacting spiral teeth, United States patent US 20030012675 A1, 2003.
[8] MOINEAU, L. R. J.: Gear Mechanism, United States patent US 1892217 A, 1932.
[9] MURROW, K. D., GIFFIN, R. G.: Axial Flow Positive Displacement Turbine, United States patent US 20090226336 A1, 2009.
[10] WIEDENHOEFER, J. F., RASHEED, A.: Non-contact seal for positive displacement capture device, United States patent US 20090220369 A1, 2009.
[11] DUDÁS, L.: Forgódugattyús gép, Magyar szabadalom HU230082, 2015.
[12] NSU Wankel rotary engines and cars, http://cp_www. tripod.com/rotary/pg05.htm, Utolsó elérés: 2016.04 02.
[13] Der Wankelmotor und sein Erfinder, http://www.nsuro80.ch/das-auto/der-motor/, Utolsó elérés: 2016.04 10.
90