a jármű meghajtását általában motorok, más néven elsődleges mozgatók, azaz mechanikus eszközök segítségével nyerik, amelyek képesek átalakítani az üzemanyag kémiai energiáját mechanikai energiává. Mellesleg, az angol “motor” kifejezés valószínűleg francia eredetű A Régi francia “engin” szóban, amelyről azt gondolják, hogy a Latin “ingenium” – ból származik (az “ing xianieur” vagy “engineer”azonos gyökerével).
az üzemanyag kémiai energiáját először égés útján hővé alakítják, majd a hőt munkaközeg segítségével mechanikai munkává alakítják. Ez a munkaközeg lehet folyadék vagy gáz. Valójában az égés során keletkező hő növeli annak nyomását vagy fajlagos térfogatát, tágulásának köszönhetően mechanikai munkát kap.
belső égésű motorokban (ICE) az égéstermékek (pl. levegő és üzemanyag) magukat használják munkaközegként, míg a külső égésű motorokban az égéstermékek hőcserélővel továbbítják a hőt egy másik munkaközegbe. Sőt, míg az ICE-ben az égés a henger belsejében történik, a külső égésű motorokban az égést külön kamrában, általában égőnek nevezik.
mivel az ICE égési folyamata megváltoztatja a munkaközeg jellemzőit, a ciklikus működés csak a munkaközeg időszakos cseréjével érhető el, azaz nyílt cikluson keresztül. Az ICE esetében a “ciklus” kifejezés tehát a motor munkaciklusára utal, amelyet időszakosan ki kell cserélni, nem pedig a munkaközeg termodinamikai ciklusára. A tüzelőanyagoknak olyan jellemzőkkel kell rendelkezniük, amelyek kompatibilisek az ICE működésével, ami azt jelenti, hogy égéstermékeiknek lehetővé kell tenniük munkaközegként való felhasználást (például az égés nem képezhet hamut, mint a kéményben, ami a motor mechanizmusának beragadását okozhatja).
belső égésű motor
a dugattyús belső égésű motorokat általában földi járművek meghajtására választják, néhány kivételtől eltekintve (villamosok, trolibuszok vagy elektromos autók villanymotorjai), kedvező teljesítménysűrűségük és viszonylag alacsony gyártási és szolgáltatási költségeik miatt (például a gázturbinákhoz képest).
dugattyús jég esetén a dugattyú hengerbe történő mozgása, amelyet a hengerfej ellentétes végén zár le, a henger térfogatának ciklikus változását eredményezi. A dugattyú egy rúdhoz és egy hajtókarhoz van csatlakoztatva a tengelyhez, amelynek állandó forgása ciklikus dugattyúmozgást okoz két szélső helyzet között, a felső holtpont (TDC, a hengerfejhez legközelebb eső) és az alsó holtpont (BDC, a hengerfej legnagyobb távolsága) között. Ez a két helyzet megfelel a henger minimális térfogatának (szabadtérfogat, Vc), illetve a henger maximális térfogatának (teljes térfogat, Vt). A max és min térfogat közötti különbséget söpört térfogatnak vagy henger elmozdulásnak nevezzük, és Vd-nek nevezzük. Végül a max és min térfogat közötti arányt tömörítési aránynak (RC) nevezzük.
ICE osztályozás
a belső égésű motorokat különböző kategóriákba lehet sorolni. A két legfontosabb az égési folyamaton (szikragyújtás vs.kompressziós gyújtás) és a munkacikluson (2 ütés vs. 4 ütés) alapul. További osztályozás alapulhat a légbeömlés (természetes szívású vagy turbófeltöltős), az üzemanyag (közvetett vagy közvetlen befecskendezés) és a hűtőrendszer (léghűtéses vagy vízhűtéses) alapján. Ebben a cikkben csak az égési folyamatok közötti különbségeket mutatjuk be.
szikragyújtás és kompressziós gyújtás
szikragyújtás
szikragyújtású motorokban viszonylag alacsony reaktivitású tüzelőanyagokat, például benzint, sűrített földgázt (CNG) vagy cseppfolyósított Kőolajgázt (GPL) használnak. Az ilyen tüzelőanyagokat levegővel összekeverik, hogy az éghető, homogén levegő / üzemanyag keveréket képezzék, majd a motorba sűrítik, hogy elérjék a körülbelül 700 K (400 Ft) hőmérsékletet és a körülbelül 20 bar nyomást, spontán gyulladás nélkül.
ez a viselkedés az üzemanyagmolekula jellemzői alapján magyarázható: a szikragyújtású (SI) motorokban használt szénhidrogén-üzemanyagok rövid láncú, merev és kompakt szerkezetű molekulákból készülnek (például CNG-nél CH4 vagy benzinnél c8h18 izooktán), amelyeknél még magas hőmérsékleten és nyomáson is elég hosszú az égési folyamat megkezdéséhez szükséges idő. Ezt a fogalmat azonban nem szabad összetéveszteni a folyékony tüzelőanyag szobahőmérsékleten történő elpárologtatásának képességével, amely éghető keveréket képez a környezeti levegőben. Ez a képesség magas a benzinnél, és meghatározza a robbanás veszélyét, ha gyújtóforrást biztosítanak.
SI motorokban tehát az égési folyamat csak (legalábbis klasszikus égés esetén) indítható külső energiaforrással, például elektromos szikrával. Az elektromos kisülés által a keverékhez hozzáadott energia kicsi (körülbelül 10 MJ magnitúdó), de mindenképpen elengedhetetlen az égési folyamat elindításához.
a szikra által meggyújtott első magból az égés ezután átterjed a keveréken: rétegről rétegre a lángfront áthalad a kamrán, főleg az égési gázok és a friss keverék közötti konvektív hőcserének köszönhetően, amíg el nem érik a szikrától távol eső utolsó zónákat (úgynevezett “véggázt”).
a láng elülső sebessége körülbelül 20-40 m/s, és a keverék belsejében lévő turbulenciával jelentősen megnő (a turbulencia növeli a friss és égett gáz felületét, így a hőcsere növekszik, és így a láng terjedési sebessége). Mivel a turbulencia intenzitása a motor fordulatszámával növekszik, és a láng elülső sebessége arányos a turbulencia intenzitásával, a láng elülső sebessége a motor fordulatszámával növekszik, így kompenzálja az égésre rendelkezésre álló idő csökkenését. Ennek köszönhetően az SI motorok motorfordulatszámának égése szempontjából szinte nincs korlátozás (a Forma-1-es motor akár 20 000 fordulat / perc sebességgel is működhet).
a levegő/üzemanyag keverék azonban, ha hosszabb ideig magas hőmérsékleten és nyomáson tartják, végül öngyulladáson megy keresztül. Emiatt rendellenes égések fordulhatnak elő, amikor a véggáz auto spontán meggyullad a lángfront megérkezése előtt. Ez a rendellenes égés a hengernyomás hirtelen emelkedését okozza, amelyet az égéstérben lévő nyomáshullámok követnek, amelyeket a motor szerkezetén keresztül továbbítanak a környező környezetbe. Ezt “kopogásnak” nevezik, és a termikus kifáradási feszültségek miatt károsíthatja a dugattyút és a hengert. A kopogás elkerülése érdekében az SI motornak számos korlátozást kell betartania a lángút legnagyobb hosszára vonatkozóan (amely a henger furatának nevezett legnagyobb átmérőt körülbelül 100 mm-re korlátozza), valamint a végső (friss) gáz megengedett legnagyobb hőmérsékletére és nyomására vonatkozóan (amelyek korlátozzák mind a kompressziós arányt, mind a feltöltő nyomást).
ezenkívül a lángsebesség magas értékei csak akkor érhetők el, ha a levegő / üzemanyag arány meglehetősen közel áll a sztöchiometrikus arányhoz:ezért, amikor egy SI motort részterheléssel kell üzemeltetni, lehetetlen csökkenteni csak az üzemanyagot, miközben változatlan marad a hengerbe jutó légtömeg. Ezután a terhelés szabályozásához szükség van egy eszköz használatára a levegő tömegáramának csökkentésére (gyakran szívószelepet választanak), még akkor is, ha ez részterhelés esetén hatékonysági szankciókat okoz.
Sztöchiometria az a pont, ahol a keverékben az összes oxigént elfogyasztják és az összes üzemanyagot elégetik. Benzin esetében a tömegarány 14,7: 1 (14,7 gramm levegő 1 gramm üzemanyaghoz).
kompressziós gyújtás
ha nagyobb reaktivitású tüzelőanyagokat, például dízelt használnak, akkor azokat nem lehet levegővel összekeverni, majd a hengerbe préselni, mert különben az égési folyamat spontán elindulna a kompressziós löket alatt. Valójában a dízelüzemanyag szénhidrogének keveréke, amelyet a cetán, a C16H34 képviselhet egy hosszú, egyenes láncú molekulával, amelyben az oxidációs folyamat előzetes reakciói magas hőmérsékleten és nyomáson meglehetősen gyorsan zajlanak.
ezért a dízelüzemanyagot nagynyomású folyadékpermetként injektálják a már sűrített levegőbe, közvetlenül az égés kívánt megkezdése előtt (klasszikus dízel égés esetén). A forró sűrített levegővel körülvett kis üzemanyagcseppek (kb. 10 mm átmérő) (kb. 900 K) gyorsan elpárolognak, és az égési folyamat spontán módon, rendkívül rövid gyújtási késleltetéssel kezdődik.
a dízelmotorok égési folyamata az SI-motoroktól eltérően nem képes a motor fordulatszámának növelésével összefüggő égés végrehajtására rendelkezésre álló időhöz igazítani a jellemzőit (azaz az üzemanyag elpárologtatására, keverésére és a gyújtás késleltetésére kért idő nem csökken a motor fordulatszámának növekedésével). Ezért ezeket a motorokat nem lehet 5000 fordulat / percnél nagyobb sebességgel üzemeltetni.
végül, az SI motoroktól eltérően, az ilyen típusú égéshez nincsenek szigorú követelmények a levegő/üzemanyag arány tekintetében. Részterhelés esetén a befecskendezett üzemanyag mennyisége csökken, miközben ugyanolyan mennyiségű indukált levegőt tart fenn, fojtóeszköz nélkül, majd további veszteség nélkül.
forrás: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas vélemény:
az égés két leggyakoribb típusa (szikragyújtás és kompressziós gyújtás) ma már régóta ismert és jól elsajátított. E folyamatok korlátait azonban elérjük, mivel a szabványok által meghatározott szennyezőanyag-és üzemanyag-fogyasztási határértékek egyre alacsonyabbak. E szabványok elérése egyre költségesebbé válik, és néhány alternatív égési folyamatot és motor-architektúrát tesztelnek laboratóriumokban és kutatóközpontokban. Gondolod, hogy a szikragyújtású és kompressziós gyújtású motorokat, ahogy ma ismerjük, felváltják olyan alternatív megoldások, mint a CAI, a PCCI, a kettős tüzelésű vagy más?