BELSŐÉGÉSŰ SZÍVÓMOTOROK TÖLTETCSERÉJÉT BE- FOLYÁSOLÓ GEOMETRIAI MÉRETEK VIZSGÁLATA A SZÍ- VÓRENDSZER VONATKOZÁSÁBAN

MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke BELSŐÉGÉSŰ SZÍVÓMOTOROK TÖLTETCSERÉJÉT BE- FOLYÁSOLÓ GEOMETRIAI MÉRETEK VIZSGÁLATA A SZÍ- VÓRENDSZER VONATKOZÁSÁBAN ZÁRÓDOLGOZAT Energetikai mérnök Bsc, Gépészeti szakirány Készítette: KECSKÉS PÉTER Neptun kód: VI49R3 Miskolc Egyetemváros 2013

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Energetikai mérnök alapszak Gépészeti szakirány ÁRAMLÁS- ÉS HŐTECHNIKAI GÉPEK TANSZÉKE 3515 Miskolc Egyetemváros Szám: AH-03-XXI-2013 SZAKDOLGOZAT KÉSZÍTÉSI FELADAT KECSKÉS PÉTER VI49R3 Energetikai mérnök hallgató részére A tervezés tárgyköre: A tervezési feladat címe: Belsőégésű motorok Belsőégésű szívómotorok töltetcseréjét befolyásoló geometriai méretek vizsgálata a szívórendszer vonatkozásában A FELADAT RÉSZLETEZÉSE: 1. Tekintse át és foglalja össze röviden a témában fellelhető szakirodalmat. 2. Ismertesse egy 4 ütemű szívómotor egy hengerének esetében a szívócsőben kialakuló gázlengések jellegét. 3. Egy konkrét geometriájú motort feltételezve adjon közelítő számításokat a szívócső hosszának változására vonatkozóan lengőcsöves feltöltés esetén, ha változik: a. a szívószelep nyitási pozíciója b. a szívószelepet működtető bütyök profilja c. a motor optimalizálandó fordulatszáma 4. Fogalmazza meg a továbblépés lehetőségeit ezen a területen. Tervezésvezető: Tollár Sándor, tanársegéd A tervezési feladat kiadásának időpontja: 2013. szeptember A tervezési feladat beadási határideje: 2013. november 22. Ph Dr. Szabó Szilárd tanszékvezető egyetemi tanár ii

1. A záró gyakorlat helye: 2. Instruktor: 3. A záródolgozat módosítása 1 : szükséges (módosítás külön lapon) nem szükséges dátum tervezésvezető 4. A tervezést ellenőriztem: dátum tervezésvezető 5. A záródolgozat beadható: i gen / nem 1 dátum tervezésvezetők konzulens 6. A záródolgozat és az alábbi mellékleteket tartalmazza: szövegoldalt, db rajz tervnyomtatvány egyéb melléklet (CD, stb.) 7. A záródolgozat bírálatra1 bocsátható nem bocsátható A bíráló neve: dátum 8. A záródolgozat osztályzata betűvel (és számmal): A bíráló javaslata: A tanszék javaslata: A ZVB döntése: Kelt: Miskolc, tanszékvezető Záróvizsga Bizottság elnöke 1 Megfelelő rész aláhúzandó iii

EREDETISÉGI NYILATKOZAT Alulírott (neptun kód: ) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a című komplex feladatom/ szakdolgozatom/ diplomamunkám 2 saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül. Miskolc, 20 év hó nap Hallgató 2 Megfelelő rész aláhúzandó iv

I. ÖSSZEFOGLALÁS A szakdolgozat a belsőégésű szívómotorok töltetcseréjét befolyásoló geometriai méretek vizsgálatával foglalkozik. Kiemelt figyelmet fordítva a különböző üzemállapotokhoz szükséges szívócső hossz méretére. A dolgozat célja a különböző üzemállapotokhoz szükséges szívócső hosszának meghatározása. Ennek azért van jelentősége, mert megfelelő hosszúságú szívócső hasznosítása esetén a gázok instacionárius mozgásának pozitív tulajdonságait kihasználva javítható a motorok feltöltése, és ebből adódóan a teljesítményük is Hasonló gázlengések légnemű és folyékony anyaggal létrejöhetnek a motor különböző részeiben, mint például a motor olaj- és vízkörében is. Habár a feltöltött motorok nyomás alatt lévő szívócsövében is kialakul gázlengés, ennek az esetleges negatív hatása a töltőnyomás kismértékű emelésével már kompenzálható is, így feltöltött motorok esetében akkora jelentőséget nem szoktak tulajdonítani neki. Szívómotor esetében olyan lengőrendszer kialakítást kell létrehoznunk, amely minden körülmények között az optimális gázlengést hozza létre a szívócsőben, ezáltal is növelve a motor teljesítményét. Mi befolyásolja ezt, avagy mit kell változtatnunk ahhoz, hogy ezt mesterségesen létre tudjuk hozni? Természetesen a legnyilvánvalóbb a szívócső hossza és átmérője. Viszont ezek mellett még ott van a szívószelep átáramlási keresztmetszete, bütyök kialakítása, a motor fordulatszáma, valamint a szívó ütem alatt kialakuló nyomásviszony. És hiába van egy kiválóan bevált, hangolt szívócsövünk, ha ezt egy más lökettérfogatú motorra tesszük, rögtön felborul minden. Ezen okok miatt válik bonyolult feladattá egy motor szívócsövének a kiválasztása, ugyanis nem mindegy, hogy milyen fordulatszámra szeretnénk hangolni az adott szívócsövet. Egy állandó hosszúságú szívócső csak egy bizonyos szűk fordulatszám tartományban képes a motor számára pozitív hatású lengéseket biztosítani. Ezen lengések meghatározása nem egyszerű feladat, komoly számításokat igényel, talán ez lehet az oka, hogy a motor gyártók nem szívesen adnak információkat ezen a területen elért eredményeikről. A dolgozatomban a fentebb említett tények ismeretében szeretném bemutatni, hogy a motor üzem állapotának változtatásai milyen mértékben befolyásolják a szükséges szívócső hosszát egy négyhengeres motor egy hengerének esetében. v

II. SUMMARY The present dissertation deals with the investigation of the geometric measurements which influence the charge alteration of the internal combustion suction engine paying particular attention on the length of the inlet pipe that requires different engine state. The main goal of this study is to determine the right length of the inlet pipe requiring different engine state. This is of great importance because with the utilization of the proper length of the inlet pipe and the positive traits of the unsteady movement of the gases the charge of the engine can be improved and consequently their power output as well. Similar gas vibration can come into being within liquid or gas substance in different parts of the engine such as in oil and water flow of the engine as well. Although gas vibration can evolve in the inlet pipe of a charged engine under pressure the negative effect of this can compensate for the slightly increasing of the filling pressure that is why in case of charged engine it makes no difference at all. In case of suction engine we have to create the vibration system which will bring about the optimal gas vibration in every circumstance in order to increase the power output of the engine. What influences this or what things should be altered in order to establish it artificially? Obviously it is due to the length and the diameter of the inlet pipe. Besides this, however there are other factors such as flow transverse section of the inlet valve, adjusting cams, speed range of the engine and the pressure ratio evolved under the suction stroke. Moreover, no effect we have a well-tuned inlet pipe if we install it another swept-volume engine it will not meet the requirements. For exactly the reasons mentioned above it is difficult to tune the inlet pipe of an engine. Since it is essential to know what revolution number we would like to tune the given inlet pipe. A fixed length inlet pipe will only provide adequate vibrations for the engine at a fairly narrow speed range. Determination of these vibrations is not easy task, it requires exact calculations. This may be the reason why engine manufacturers are unwilling to give information about the latest results in this field.. vi

1. TARTALOMJEGYZÉK 1. Tartalomjegyzék... 2 2. Jelölésekés indexek jegyzéke... 4 3. Bevezetés... 5 4. Belsőégésű motorok töltetcseréje... 6 4.1. Mi is az a töltetcsere?... 6 4.2. Töltetcsere ütemei... 7 4.2.1. Kipufogás ütem... 7 4.2.2. Szívás ütem... 7 4.3. Szívórendszerben kialakuló gázlengések... 8 4.4. Gázlengéseket hasznosító feltöltési módok... 9 4.4.1. Dinamikus feltöltés... 9 4.4.2. Lengőcső feltöltés... 13 4.5. Impulzus feltöltők hasznosítása a motorok jobb töltésének érdekében... 15 4.5.1. Motorok feltöltése... 15 4.5.2. Dinamikus feltöltés... 16 4.5.3. Lengőcsöves feltöltés növelése impulzus feltöltéssel... 18 4.5.4. Impulzus szelep működése... 19 5. Szívócső hosszának meghatározása lengőcsöves feltöltés esetén... 22 5.1. A vizsgált motor adatai... 22 5.2. Szívás ütemet jellemző nyomásváltozás... 22 5.3. Szelepemelés változása... 28 5.3.1. Bütyökprofil kialakításával szembeni követelmények... 28 5.3.2. Bütyökprofil kialakítása... 29 5.3.3. Maximális szelep emelés meghatározása... 31 5.3.4. Szelepemelés és az átáramlási keresztmetszet számítása... 32 5.4. Az α ES meghatározása... 36 5.5. A K korrekciós tényező meghatározása... 38 5.6. A szívócső hosszának változása néhány bemenő paraméter megváltoztatásának hatására... 39 2

6. Tovább lépési lehetőségek... 42 7. Összegzés... 43 8. Köszönetnyílvánítás... 44 9. Irodalomjegyzék... 45 3

2. JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE Jelölések: V [m 3 ] térfogat A [m 2 ] keresztmetszet t [s] idő r [m] forgattyú sugár l [m] hajtókar hossz λ [-] hajtórúd arány ω [1/s] szögsebesség n [1/s] motor fordulatszám D [m] dugattyú átmérő d [m] átmérő x [m] elmozdulás dv [m 3 ] térfogat változás p [Pa] nyomás ρ [kg/m 3 ] sűrűség m [kg] tömeg L [m] szívócső hossz a [m/s] hangsebesség K [-] korrekciós tényező f [1/s] frekvencia α [ ] főtengely szögelfordulás φ v [ ] vezérműtengely szögelfordulása Indexek: D l k dugattyú löket kompresszió 0 légköri tulajdonság 2 henger tulajdonság 1 szelep körüli tulajdonság sz Átáramlási keresztmetszet korr korrekciós tényező 4

3. BEVEZETÉS A belső égésű motorra a figyelmet először az 1878-as párizsi világkiállításon bemutatott, négyütemű, gázüzemű motor hívta fel. Feltalálója Nikolaus August Otto német kereskedő, aki számos próbálkozás után, 1876-ban szabadalmaztatta motorját. A találmány sikere szabadalmi perek nagy tömegét zúdította a készítőre, viszont mindezek jelentős szerepet játszottak az 1876-os találmány előzményeinek napvilágra hozásában. A belső égésű motorok készítői természetesen még a négyütemű motorok létrejötte előtt nem ismerték fel a gyújtást megelőző sűrítés jelentőségét, így az általuk készített motorok nagyméretűek, nehezek és nagyon gazdaságtalanok voltak. Ilyen volt a francia Lenoir 1860-ban megjelent gázgépe, amely kétütemű elv szerint működött. A szívóütem a löket feléig terjedt, majd a sűrítetlen keverék gyújtását követően, a hátralevő fél ütemben történt a terjeszkedés. Folyékony tüzelőanyagot először a bécsi Hock, illetve az amerikai Brayton használt 1873-ban a Lenoir elven működő motorban. Átütő sikert a folyékony üzemanyagok használatában azonban csak a karburátor feltalálása jelentett. Ezek után folyamatosan jelentek meg a belsőégésű motorok fejlődését előidéző találmányok, fokozatosan terjedtek el az ilyen motorokkal hajtott gépjárművek. Olyannyira, hogy az 1970-es évek elejére a gépjárművek kipufogó gázainak környezetszennyező hatása egyes országokban kezdett kritikussá válni. Ennek felismerése, és a nyersolaj árának rohamos növekedése jelentősen felgyorsította a belsőégésű motorok fejlesztésére irányuló folyamatokat. Ennek a fejlesztő munkának az eredményei napjainkban már megmutatkoznak: sorra jelennek meg az új fejlesztésű motorok a korábbinál lényegesen alacsonyabb káros anyag kibocsátással és üzemanyag fogyasztással.[1] Ennek a folyamatnak az eredményeként alakult ki az a komplex rendszer, ami a motorok fejlesztéséhez szükséges. Így a motor minden egyes apró részletének (szívórendszer, kipufogórendszer, szelepnyitás, vezérműtengely stb) megtervezése komoly számításokat igényel. Éppen ezért a dolgozatban a belsőégésű motorok egyik fontos részéről, a szívórendszer megfelelő kialakításáról szeretnék írni, számításokat végezni a megfelelő szívócső kiválasztásához. 5

4. BELSŐÉGÉSŰ MOTOROK TÖLTETCSERÉJE 4.1. Mi is az a töltetcsere? A belsőégésű motorok olyan periodikus működésű hőerőgépek, amelyeknek munkaterében lévő munkavégző közeg, vagy más néven tüzelőanyag, kémiai energiája alakul át előbb hőenergiává, majd mechanikai munkává.[1] A belsőégésű motorok periodikus működéséből következik, hogy az égési folyamat lezajlása után az égésterméket el kell távolítani a motor hengereiből, és friss töltettel kell feltölteni őket. A hengereknek ezt a töltését és ürítését nevezzük töltetcserének, ami a négyütemű motorok munkafolyamataiból két ütemet, a szívást és a kipufogást foglalja magába, és a kipufogó szelep nyitásától a szívószelep zárásáig tart. A töltetcsere akkor lenne ideális, ha minden egyes periódus során a kipufogógáz teljes mértékben eltávozna, és helyette a henger friss töltettel töltődne fel. Valóságos töltetcsere folyamat esetén azonban a szívórendszer ellenállása, és a szelepek által periodikusan nyitott keresztmetszeteknek a motor üzemállapotától történő függősége, valamint a szívó és kipufogó rendszerben keletkező nyomáshullámok miatt csak egy szűk üzemi tartományban lehet megfelelő töltetcserét biztosítani.[2] Ennek a biztosítása érdekében meg kell oldani, hogy a friss töltet és a kipufogógáz egymással lehetőleg ne keveredjen. A rendszert úgy kell kiképezni, hogy: az áramlási keresztmetszet a lehető legnagyobb, az áramlási ellenállás a lehető legkisebb, a töltés és ürítés időtartamai pedig a megengedhető leghoszszabbak legyenek a gázok áramlása segítse elő a keverékképzést és az égés kedvező végbemenetelét a záró elemek zárt állapotban jól tömítsenek, akadályozzák meg a gázszivárgást, a mechanizmus a lehető legkisebb tömeggel rendelkezzen, működtetésének energia szükséglete legyen minimális, káros rezgések, hőtágulások ne keletkezzenek.[3] Mindezek alapján láthatjuk, hogy a tökéletes töltetcsere megvalósítása igen nehéz feladat, véghezvitelében fontos feladatuk van a szívó és kipufogó oldalon fellépő nyomáshullámoknak. 6

4.2. Töltetcsere ütemei 4.2.1. Kipufogás ütem A kipufogás az égéstermék eltávolítását jeleni a hengerből. A folyamat a következőképpen zajlik le: a kipufogó szelep az alsó holtpont (AHP) előtt nyit, a nyomás alatt lévő égéstermékek kiáramlása a hengerből hangsebességgel kezdődik meg és mivel a kipufogócsőben lévő gáz összenyomható és felgyorsításához idő kell a hengerből több gáz áramlik egy ideig a kipufogócsőbe, mint amennyi kiáramlik abból a szabadba. Ez az oka annak, hogy a nyomás először növekedni kezd, majd a hengerben uralkodó nyomáshoz hasonlóan csökken a kipufogócsőben. A nagy sebességgel áramló gáztömeg tehetetlensége miatt a nyomáshullám mögötti gáz nyomása annyira lecsökken, hogy átmenetileg szívó hatás is kialakulhat. Ez a jelenség előnyös az égéstermékek eltávolítása szempontjából. Ezt a szakaszát nevezik a kipufogás ütem nyomáskiegyenlítődésének. Ha a hengerben lévő nyomás eléri a 2 7 bar-t, akkor kezdődik a kipufogás második szakasza,mialatt az égésterméket az AHP-ból a FHP-ba haladó dugattyú kitolja a hengerből. Ekkor a kiáramló égéstermék sebessége már hangsebesség alatti.[2] 4.2.2. Szívás ütem Egy szívás ütem alatt a dugattyú a felső holtpontból az alsó holtpontba való jutását értjük, miközben a motor hengereibe friss töltet áramlik. Ez a folyamat úgy magyarázható, hogy a dugattyú az AHP felé történő mozgása közben nő a hengerben a térfogat, és ezzel fordított arányban csökken az ott lévő nyomás. Amikorra a dugattyú eléri az AHP-t, akkorra a friss töltet nyomása kisebb lesz, mint a környezeti levegőé. Mindez köszönhető a szívó oldal áramlási ellenállásának. A nyomásváltozáson túl a töltet hőmérséklete - a meleg falakkal, szelepekkel történő érintkezésnek, valamint a maradék töltettel való keveredésnek a nyomán megnő (t>t 0 ). Ezeknek a változásoknak a következtében a hengerben lévő közeg sűrűsége (ρ) és tömege (m) az AHP-ban kisebb, mintha az állapotjelzői a környezeti jellemzők (p 0,t 0 ) értékével egyezne meg. a motorok feltöltődése friss közeggel Azonban döntően befolyásolja a motor teljesítményét. A feltöltés mértékét a töltési fokkal (λ) jellemezhetjük (4.1), amely azt mutatja meg, hogy egy szívóütemben a hengerbe jutó közeg tömege (m) hogyan viszonyul a lökettérfogatot (V L ) környezeti állapoton kitöltő közeg tömegéhez. m V L 0 (4.1) 7

vagy mérhető mennyiségekkel (4.2) (négyütemű motoroknál) m120 V z n L (4.2) ahol, m: a hengerbe jutó közeg tömeg árama [kg/s] n: a motor fordulatszáma [1/min] z: a hengerek száma [-] Ha a beszívott friss töltet nyomását növelni, hőmérsékletét pedig jelentősen csökkenteni tudjuk, akkor nagymértékben javítható a motor töltési foka. Erre a célra számos megfelelő megoldás létezik, leggyakrabban elterjedt közülük a hangolt szívó- és kipufogó rendszer, a változtatható szelepvezérlés és a különböző feltöltési eljárások alkalmazása. Valamint hasznos lehet még a szívó és kipufogó rendszer ellenállásának csökkentése.[2] 4.3. Szívórendszerben kialakuló gázlengések A szívórendszerben kialakuló gázlengések hangolási lehetőségének megismerése előtt elengedhetetlen magának a gázlengésnek a megismerése. A gázlengés, mint a motor szívócsövében lezajló folyamat, a következőképpen jön létre. A szívás ütem kezdetén, a szívó szelep nyitása után a dugattyú elindul az alsó holtpont felé. Ez a lefelé haladó mozgás vákuumot kelt a hengertérben. Ennek hatására a szívócsőben lévő keverék áramlása megindul a henger felé. Mivel a gázoknak éppúgy, mint minden anyagnak - van tömegük, ebből kifolyólag tehetetlenségük is van, valamint a sebességük révén mozgási energiájuk is. A szívás ütem alatt a dugattyú által előidézett vákuum felgyorsítja a szívócsőben lévő keveréket, és az AHP-ba való érkezéséig egy folyamatos áramlást hoz létre. Majd túlhaladva a holtponton a szívó hatás megszűnik, lezár a szívó szelep. A szívócsőben lévő töltet viszont a tehetetlensége révén tovább halad a szelep irányába, ott viszont falba ütközik. Ez az oka annak, hogy a szelep mögött egy helyi nyomáscsúcs alakul ki, amiben a gázok összenyomhatóságának is nagy szerepük van. A kialakult nyomáscsúcs viszont igyekszik homogén eloszlásba átmenni. Ennek köszönhetően a gáz elindul a szívócső másik vége felé, ahol az előbbi mozgásnak köszönhetően egy kisebb nyomású térrész keletkezik. Ahogy elérik ezt a részt, ott szintén egy nyomáscsúcs fog kialakulni, és a gáz ismét az ellenkező irányba indul. Ez a folyamat mindaddig folytatódna, amíg a részecskék teljes nyugalomba nem kerül- 8

nének. Csakhogy amire elérnék ezt az állapotot, addigra a szívó szelep újra kinyit, és minden kezdődik előröl. Ez a folyamat nem csak ebben az esetben, hanem bármilyen más folyadék vagy gáz halmazállapotú anyaggal létrejöhet. Egyetlen feltétele a periodikus gerjesztés. Periodikus gerjesztés alatt olyan folyamatot értünk, amely meghatározott időközönként meghatározott ideig gyakorol hatást az adott közegre.[4] Ezek után könnyen alátámasztható a gázlengések hangolásának fontossága. Ugyanis, ha a gáz a szívó szelepek nyitásának pillanatában éppen a szelep felé halad, akkor a dugattyúnak jóval kisebb vákuumot kell képeznie a töltet hengerbe szívásához, vagyis kisebb energiát kell a motornak kifejteni. 4.4. Gázlengéseket hasznosító feltöltési módok A gázlengések megfelelően megtervezett és kialakított motor esetében jelentős pozitív hatással bírnak a motor feltöltésének folyamatában. Ennek okán több kialakítással próbálkoznak a legjobb hatás elérése érdekében. A továbbiakban ezekből a feltöltési módokból mutatok be néhányat. 4.4.1. Dinamikus feltöltés A dinamikus feltöltés elve a szakaszosan szívó motor szívórendszerében kialakuló instacionárius áramlást, vagyis a szívórendszer térfogatát kitöltő levegőoszlop lengéseit használja fel a hengerek feltöltéséhez. Az elv mechanizmusát a 4.1-es ábra példa alapján vizsgáljuk: 9

4.1.ábra:Dinamikus feltöltés elve [5] Az egyhengeres motor szívócsöve a 0 állapotú atmoszférát köti össze a 3 állapotú hengerrel. A cső henger felöli végét pedig 2 indexszel jelöljük. Ha a szívócsőben vizsgálatunk kezdetekor a nyugalomban lévő levegőoszlopot valamilyen dinamikus hatás éri, akkor ez a hatás, mivel a levegő összenyomható véges sebességgel, konkrétan a szívócsőben lévő gázállapottól függő hangsebességgel nyomáshullám formájában terjed.[5] Ilyen dinamikus hatás például nyitott szívószelep esetén a dugattyú elmozdulása, illetve az abból eredő szívóhatás. A levegő összenyomhatósága miatt a depreszszió az átlagos hangsebességgel terjed a szívócsőben, és az 1 -es keresztmetszetben csak akkor kezd mozgásba jönni, ha a negatív nyomáshullám odaér. Ezt a fázis eltolódást az Ahol: L-szívócső hossza [m] n-motor fordulatszáma [1/min] a-átlagos hangsebesség [m/s] L 6n összefüggésből határozhatjuk meg. a 10

4.2.ábra:Dinamikusan feltöltött motor szívási folyamata [5] A 4.2-es ábra a dugattyú és a szívószelep mozgásviszonyait és a levegőoszlop áramlási és nyomásviszonyait szemlélteti. A diagramban a hengerben mért nyomásnak az atmoszféra állandó nyomásához viszonyított értékeit p 3 /p 0 -t, a 2 pontban mért nyomásnak ugyancsak p 0 -hoz viszonyított értékeit p 2 /p 0 -t, a szelep áramlási viszonyaira jellemző átömlési keresztmetszet változást µa sz -t, a 2-3 nyomáskülönbség hatására a szabad keresztmetszeten a hengerbe áramló levegő mennyiséget rajzoltuk be. A hengerben p 3 /p 0 és a szívószelep előtt p 2 /p 0 kialakuló depresszió annak köszönhető, hogy a dugattyú gyorsabban mozdul el, mint a tehetetlen levegőtömeg, és lényegesen gyorsabban éri el a sebességmaximumát. Ez a nagy szívási depresszió a levegőoszlopot felgyorsítja, és ez a felsőholtpont felé induló dugattyú ellenében is további levegőmennyiséget juttat a hengerbe. A szívócsőben lévő levegőoszlop a szívószelep zárása után sem marad nyugalomban, hiszen a nyomáshullámok - bár egyre csökkenő amplitúdóval -, de periodikusan ismétlődnek. Ezek a lengések a következő szívási ütem töltési folyamatát erősen befolyásolják. Megfelelően hangolt, tehát megfelelő hosszúságúra választott szívócsőben olyan, a szívási depresszió által a motor fordulatszámával megegyező frekvenciával gerjesztett hullámjelenség hozható létre, amely a szívószelep mozgásviszonyai mellett a henger λ>1 feltöltését is eredményezheti. Ez az effektus természetesen nem független a motor fordulatszámától, hiszen a gerjesztési frekvencia a motor fordulatszámával arányosan változik. A dinamikus 11

feltöltés effektusa tehát egy adott szívó csőhosszúság mellett viszonylag szűk fordulatszám tartományon belül érvényesül. A rendszer hangolását ezért általában a maximális nyomatéknak megfelelő fordulatszám tartományra végzik el, amivel a motor rugalmassága javítható.[5] A dinamikus feltöltés elve természetesen többhengeres motorok esetében is megvalósítható. Ekkor a szívórendszert viszonylag hosszú, a motor beépítési korlátai miatt nehezen megvalósítható egyedi szívócsövek és az azokat összekötő gyűjtőcső alkotja.[5] A beépítési korlátok szempontjából nagyobb szabadságot biztosít az úgynevezett rezonanciafeltöltés. Ennél a rendszernél több henger szívócsöve egy közös rezonancia tartályhoz csatlakozik. A közös rezonancia tartályhoz tartozó hengerek szívási periódusai időben nem fedik át egymást. A szívótartály, a kapcsolódó szívócsövek és az éppen szívó rendszer által képzett térfogat, továbbá a rezonanciacsőben éppen áramló levegő együtt alkot egy rezgőrendszert. A feltöltés itt is elsősorban akkor jön létre, amikor a hengerek szakaszos szívásai által előidézett gerjesztő alap harmonikus a lengőrendszer önlengésszámával rezonanciába kerül.[5] 4.3.ábra:Dinamikus rezonanciafeltöltéses motor szívórendszere [5] A rendszer nagy előnye, hogy a rezonancia szempontjából a rezonanciatartálynak csupán a térfogata számít, alakja már kevésbé. Így a motorháztér rendelkezésre álló szabad terét figyelembe véve lehet a szívórendszert kialakítani.[5] 12

4.4.2. Lengőcső feltöltés Az eljárást elsősorbsn benzin mototroknál alkalmazzák, A dugattyú szívási munkáját alakítják át a gázoszlop kinematikai energiájává, majd a hengertöltés sűrítési munkájává. Lengőcsőfeltöltésnél- vagy hosszabb megnevezéssel a lengő levegőoszlopos szívócső feltöltésnél -, azokat a nyomáshullámokat használják feltöltésre, amelyek az elágazó egyes szívócsőágakban, illetve hengerenként külön szívócsövek esetén a nyitott csővégekről az egyes hengerekhez futnak. A szívócsőben lévő gázoszlop a szívószelepek zárása után magasabb ferekvenciával tovább leng. Ez fázistól függően pozitívan illetve negatívan is hathat a következő szívási folyamatra. Ezért ezt a lengési folyamatot egy jól kialakított szívórendszernél csillapítani szükséges.[2] 4.4.ábra:Lengőcső feltöltés elvi vázlata [2] A lengőcső feltöltési rendszer fő méreteit a Helmholtz-rezonátorra érvényes egyenlet írja le. Ez a rezonátor egy V térfogatú tartályhoz a V térfogatú hengerhez csatlakozó A keresztmetszetű és L hosszúságú csőből áll. Egy ilyen lengő rendszernek a saját lengés száma, vagy önfrekvenciája (4.3): a A f [1/s] (4.3) 2 V L Természetesen az egyenlet nem alkalmazható egyszerűen minden változtatás nélkül egy lengőcső feltöltés méretezéséhez, hiszen a motor hengerének térfogata változó, a szelepek változó időbeli keresztmetszetűek stb. A jelenséget alapvetően meghatározó méretek befolyását azonban helyesen mutatja.[2] 13

A lengőcső feltöltésnél legerősebb hatása a lengőcső hosszának van. Egyszerű lengőcsöves rendszer csak korlátozott fordulatszám tartományban hatékony. Gyakorlatilag csak a névleges fordulatszám 50 70%-os tartományában érhető el. A lengőcső számítások alapja a Helmholtz egyenlet. A belsőégésű motorok lengőcső feltöltésének számításához mérési folyamtok alapján Engelmann az alábbiak szerint módosította az összefüggést : a A 360 2 LV Es An n K2 nkorr (4.4) ahol: n: a fordulatszám, ahol a légnyelési görbének maximuma van, [1/s] α Es : az a forgattyúszög, amelynél a maximális nyomás lép fel a szívószelep előtt, [ ] α An: Az a forgattyúszög, amelynél legnagyobb a dugattyú által gerjesztett depresszió, [ ] K: korrekciós tényező, amint a lengőcső feltöltés modellezése miatt vezettek be, [-] a: a hangsebesség, [m/s] A: a lengőcső keresztmetszete, [m 2 ] L: a lengőcső hossza, [m] V: a tartály (henger) térfogata, [m 3 ] n korr : korrekciós tényező (fordulatszám), ami 0, ha nyitott a szívócső (csak szívó csonk) és 250/60 1/s, ha van levegőelosztó és odavezető cső, [1/s] 4.5.ábra:A szívószelep előtti nyomásváltozás lefolyása és a szelepemelési görbe [2] 14

Az α Es értékét a szelepemelési görbe lefutó ágának tangense és a vízszintes tengely metszéspontja adja. A K korrekciós tényező nagysága a motor és a szívócső konstrukciójától függ. Közelítő számításokhoz, hasonló konkrét motorok geometriai méreteinek és szelepvezérlési paramétereinek felhasználásával a (4.5) egyenletből meghatározható a korrekciós tényező értéke: 360 LV K n nkorr a A Es An (4.5) A K korrekciós tényező ismeretében a (4.5) egyenletből számítható rögzített egyéb paraméterek mellett -, a szükséges szívócsőhossz (vagy keresztmetszet) a motor fordulatszám függvényében.[2] 4.5. Impulzus feltöltők hasznosítása a motorok jobb töltésének érdekében Vannak olyan, a motorok légellátását növelő fejlesztések, amelyek 1000 és 3000 1/min közötti fordulatszám-tartományban felerősítik a töltetcsere során fellépő gázdinamikai folyamatokat, és növelik a szelepvezérlés szabadságfokát úgy, hogy a légellátás-növelő technika Otto- és dízel szívó- és feltöltött, közvetlen és csatorna befecskendezésű motorokon egyaránt alkalmazható.[6] Bár a motor nyomatéka a vezérmű bütykök ezzel egyidejű elhangolásával, a vezérlési idők optimális illesztésének megőrzésével növelhető, a szívócső hoszszúsága azonban csak korlátozott mértékben változtatható. A nyomaték növelésének bevált eszközei még a névleges, a motor alsó fordulatszám-tartományában működő mechanikus vagy turbótöltők, amelyek működési késedelmei nagy dinamikájú impulzus- és elektromos feltöltéssel eredményesen csökkenthetők. Az impulzusfeltöltés a töltéscsere során zajló gázdinamikai folyamatok felerősítésére épül, és a szívócső hosszúságának megváltoztatása nélkül, az ezzel járó késedelmek kiküszöbölésével, növeli a motor nyomatékát. Úgynevezett impulzusszelep használatával a felsorolt előnyök rövidebb szívócsövű motorokon is elérhetőek. Turbótöltő használatával, mindez szokatlanul rövid szívócső esetén is, meglepően nagy motornyomaték kifejtésére ad lehetőséget".[6] 4.5.1. Motorok feltöltése A feltöltés technika szélesebb körű alkalmazása az elkövetkező benzinmotor generációk teljesítményének és nyomatékának olyan jelentős növekedését, és az üzemanyag fogyasztás, továbbá a káros anyag kibocsátás olyan mértékű csökke- 15

nését alapozza meg, mint amit az utóbbi években a dízelmotorokon tapasztalhattunk. A dízelmotorok hasonló üzemi jellemzőinek további növekedésére és a motor reakcióviszonyának javulására, az impulzuselvű és a villamos feltöltőknek köszönhetően, számíthatunk. Mindkét utóbbi rendszer bevezetése fokozott fejlesztést igényel, ami az impulzusfeltöltők példájánál maradva, az impulzusszelepnek a szívócsőbevégzett integrálásával, a szívócsövek kialakításának új generációit igényli. [6] 4.5.2. Dinamikus feltöltés A sűrítőgépek nélküli feltöltés külön csoportját képezi a lengőcsöves feltöltés, amely a szívó- és a kipufogó oldali töltetcserét a motor gázlengéseinek dinamikai javítására, más néven a dinamikus feltöltés alkalmazására alapozza. A dinamikus feltöltés eddigi gyakorlatában elkülönült rezonáns és lengőcsöves feltöltést az impulzusfeltöltés egészíti ki, amely a gázlengések felerősítésén alapul. Az impulzusfeltöltő lengőrendszere az egyik végén a hengerfejre illesztett szívócsőből, a másik végén pedig gyűjtőkamrának nevezett térfogat bővületből áll. A töltetcsere alkalmával a szívócsőben lévő gázoszlopra nyomásváltozások hatnak, amelyek a csőben lévő gázoszlopot lengőmozgásra kényszerítik a következőképpen: a lefelé haladó dugattyú depresszióhullámot kelt a szívócsőben, amely a gyűjtőkamra felé halad tovább. Bár a gyűjtőkamra térfogatának bővülése nyomásenergia csökkenéssel jár, a kamra végfalának ütköző depresszióhullám visszafordul, a szívócsőbe préselődik, ahol a lengő-mozgását visszaverődő túlnyomáshullámként folytatja tovább. A túlnyomás, a nyitott szívószelepen át, feltöltő nyomásként jut a hengertérbe. Ha a hengerbe hatoló nyomáshullám a motor szívóütemével megegyező frekvenciával és fázishelyzetben érkezik, a hullám a szabad szívásút meghaladó mennyiséggel növeli a munkaütemben hasznosuló töltet energiáját és az energiaátalakítás hatásfokát. Feltéve, hogy a szívószelep a megfelelő időben elzárja a hengerbejutó töltet szívócsőbe irányuló visszaáramlását. Az impulzusfeltöltő rendszer a szívócsőhossznak a motor fordulatszámával arányos összehangolásával optimalizálható. [6] 16

4.6.ábra: A belső égésű motorok feltöltő rendszereinek felosztása [6] 4.7.ábra:Belső égésű motor, impulzusvezérelt légszeleppel [6] 4.8.ábra: Motor mért légnyelése alapváltozatú(a) és impulzusfeltöltős(b) szívócső esetén. [6] 17

4.9.ábra:A Siemens IF felépítése [6] 4.5.3. Lengőcsöves feltöltés növelése impulzus feltöltéssel A dinamikus feltöltő rendszer műszaki átalakítása igen magas követelményt támaszt a szívócső szabad keresztmetszete impulzusszeleppel végzett nagy sebességű nyitásának és zárásának pontos időzítését és gáztömítettségét illetően. Ha ezek a követelmények megfelelőképpen teljesülnek, az impulzusfeltöltő különösen kis fordulatszám-tartományban jelentősen növeli a motor nyomatékkínálatát. A töltetcsere szimulációk azt mutatták, hogy szívómotoron ennek mértéke a motor 3500 1/min-es tartományáig elérte a 20%-ot. Ennél nagyobb fordulatokon az impulzusszelep folyamatosan nyitva marad. Turbótöltésű motorokon az impulzusfeltöltő a motor 1000-3000 1/min-es fordulatszám tartományában javítja a motor reakciókészségét és nyomatékát. Az impulzusfeltöltős motorok nyomaték dinamikája az, ami e technikát más nyomatéknövelési módszerek fölé emeli. [6] 18

4.10.ábra: A kialakuló veszteség hatása a tároló nyomásviszonyaira (E-FHP: előző felső holtpont; AHP: alsó holtpont; FHP: felső holtpont) [6] 4.11.ábra: Nyomásviszonyok a motor égésterében (felül) és a szívócsőben, az impulzusfeltöltő légszelep működésének hatására (alul). (K-FHP: következő felső holtpont [6] 4.5.4. Impulzus szelep működése A töltetcsere a szívószelep elé, a szívócsatornába épített, elektromágneses impulzusszelep működtetésével, a következő módon befolyásolható. Tekintsük a szívócsatorna impulzusszeleppel és szívószeleppel határolt részét olyan tárolóedénynek, amely az impulzusszelep gyors nyitásával és zárásával nyitható és 19

zárható, és amelyik az égésteret feltöltő nyomástároló szerepét hivatott betölteni. Akkor, amikor az a szívószelep és a dugattyú elmozdulása szempontjából optimális.[6] 4.12.ábra: Az IF működési mozzanatai. A képen jobbra mutató nyíl depressziót, a balra mutató nyíl túlnyomást jelképez [6] A működés további mozzanatai, képsorozatunk képeinek alapján, a következők. A szívószelep nyitását követően az impulzusszelep gáztömítetten zár. A dugattyú lefelé irányuló mozgása az égéstérben és a nyomástárolóban depressziót hoz létre (1). Az impulzusfeltöltés szempontjából ez igen jelentős, mert az impulzusszelep gyors nyitása következtében a szívócsatorna szabaddá válik, amelyen át nagy sebességgel friss levegő tud beáramlani. Ekkor, a lengőcsöves feltöltőhöz hasonlóan, az impulzusszeleptől kiindulva, depresszió hullám indul meg a nyomástároló felé (2), ahonnét az, túlnyomáshullámként visszaverődve, beáramlik az égéstérbe (3). A hengertérbe jutó, nagy amplitúdójú nyomáshullám az atmoszférikus szívású motorokénál lényegesen nagyobb töltőnyomást hoz létre. Az impulzusszelep a szívószelepet megelőzve lezár, hogy a dugattyú túlnyomást építhessen fel a nyomástárolóban (4). A nyomástárolás (5) az impulzusszelep gyors lezárását követően jön létre, és az a maradékgázok öblítésére fordítódik (6). Az állandósult motorüzemben végzett kísérletek azt mutatták, hogy elektromos segédüzemű turbótöltővel nagyobb légszállítás érhető el, mint impulzusszeleppel működtetett feltöltővel. Az impulzusfeltöltő azonban szélesebb sávtartományban mű- 20

ködik, az elektromos turbótöltőénél nagyságrenddel kisebb, áramfelvétellel és spontánabb reakciókészséggel. [6] 21

5. SZÍVÓCSŐ HOSSZÁNAK MEGHATÁROZÁSA LENGŐCSÖVES FELTÖLTÉS ESETÉN A fentebb említettek alapján azt mondhatjuk, hogy lengőcsöves feltöltés esetén a szívócső hossza adott fordulatszámon, a korrekciós tényező ismeretében meghatározható. A korrekciós tényező a motor egy adott fordulatszámához tartozó motorjellemző. Ez a fordulatszám ebben az esetben 3000 [1/min]. A képletben lévő többi tényező meghatározása a következő fejezetekben lesz bemutatva. 5.1. A vizsgált motor adatai Ahhoz, hogy a motorok szívócső hosszának változását vizsgálni tudjuk, szükségünk van egy előre meghatározott motor geometriára. Ugyanis így tudjuk megfelelően érzékeltetni a szívócsőhossz változtatásának mértékét, ha változtatunk néhány dolgot a motor üzemállapota során. Vizsgálatunk során egy négy hengeres motor egy hengerét vizsgáljuk, amelynek a mi szempontunkból szükséges adatait a 5.1-es táblázat tartalmazza. 5.1. táblázat: Vizsgálat során feltételezett motor adatai Megnevezés jelölés Mértékegység Érték Kompresszió térfogat V k cm 3 38,63 Löket térfogat V l cm 3 349,01 Szívócső átmérő d mm 21,0 Szívócső hossz L mm 300,0 Szívószelep szár átmérő d sz mm 7,0 Szelepülés ψ 45,0 Hajtókar hossz l mm 130,0 Forgattyú sugár r mm 35,6 5.2. Szívás ütemet jellemző nyomásváltozás A gázlengések kialakulását jelentős mértékben befolyásolja a szívás ütem alatt a hengerben lévő nyomás. Ugyanis ez határozza meg, hogy a szívócsőből mekko- 22

ra mennyiségű, milyen sebességgel áramló levegő jut a hengerbe. Emellett fontos szerepe van a lengőcsöves feltöltés esetében is a korrekciós tényező meghatározásánál. Ugyanis α AN az a forgattyúszög, amelynél legnagyobb a dugattyú által gerjesztett depresszió. Ennek a szögnek a meghatározása tisztán számítás útján nem lehetséges. Éppen ezért az értékét a szakirodalom alapján vesszük fel. Meghatározása a szívás ütem alatt kialakuló nyomásváltozás mérése alapján lenne lehetséges. Mivel a henger nyitott rendszernek tekinthető a szívás üteme alatt, ezért a nyomásokat nem tudjuk számítással meghatározni. Ezen tények ismeretében az α AN meghatározásának csak az elvi lehetőségét mutatom be. A nyomás meghatározásához elengedhetetlen a dugattyú mozgásának a leírása, erre a célra a forgattyús mechanizmust felhasználva meghatároztam a dugatytyú mozgás egyenletét: [1] 2 2 x t r 1 cos t l 1 1 sin t (5.1) Amely egyenletben: t: eltelt idő [s], r: forgattyú sugár [m], l: hajtókar hossza [m] λ: hajtórúd arány [-], ω: szögsebesség [1/s]. A hajtórúd arány és a szögsebesség meghatározás a következő összefüggéseket felhasználva lehetséges: [1] r 0,274 [-] (5.2) l 2n 314,159 [1/s] (5.3) Következő lépésként a szívás ütem időtartamának a meghatározása következik. Ehhez szükség van a motor fordulatszámának ismeretére. Mivel én a 3000 [1/min]=50 [1/s] es fordulatszám tartományban vizsgálom a motor működését, ezért a szívás ütemek száma egy másodperc alatt 25 db. Ebből kiindulva a szívás ütem időtartama (t sz ) az alábbi képlet segítségével meghatározható. 1 tsz 0,01 [s] (5.4) n 4 2 23

A dugattyú adott időpillanathoz tartozó szögelfordulását az alábbi képlettel határoztam meg: 360 t 2t sz [ ] (5.5) Ezek után kiszámoljuk a dugattyú elmozdulásának nagyságát egy teljes fordulat alatt, majd a kapott eredményeket az 5.2 táblázatban, valamint az 5.1 diagramon szemléltetetjük. 5.2. táblázat: A dugattyú elmozdulása egy főtengely fordulat alatt. szögelfordulás [φ] Eltelt idő [s] Elmozdulás [m] 0 0,000 0,0000 18 0,001 0,0022 36 0,002 0,0085 54 0,003 0,0180 72 0,004 0,0290 90 0,005 0,0410 108 0,006 0,0510 126 0,007 0,0600 144 0,008 0,0660 162 0,009 0,0700 180 0,010 0,0710 198 0,011 0,0700 216 0,012 0,0660 234 0,013 0,0600 252 0,014 0,0510 270 0,015 0,0410 288 0,016 0,0290 306 0,017 0,0180 324 0,018 0,0085 342 0,019 0,0022 360 0,020 0,0000 24

x [m] 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 Elmozdulás(φ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 φ[ ] 5.1. diagram: A dugattyú elmozdulása egy főtengely fordulat alatt. Következő lépésként a dugattyú mozgását követő térfogat változások meghatározása következett. Ehhez a dugattyú által megtett utat minden időpillanatban összeszoroztuk a dugattyú felületével. A dugattyú felületének meghatározása, valamint a térfogat változás a lenti képletek felhasználásával történik. 2 3 AD DD 4,902 10 [m 2 ] (5.6) 4 Ahol: a dugattyú átmérője [m]. dvt xt AD [m 3 ] (5.7) A kapott eredmények a 5.3-as táblázatban és a 5.2-es diagramon kerülnek bemutatásra. 5.3. táblázat: A henger térfogatváltozása egy teljes főtengely fordulat alatt. szögelfordulás Eltelt idő Térfogat változás [φ] [s] [cm 3 ] 0 0,000 0,00 18 0,001 10,83 36 0,002 41,64 54 0,003 87,77 72 0,004 142,60 90 0,005 198,90 108 0,006 250,40 126 0,007 292,90 144 0,008 324,00 25

szögelfordulás [φ] Eltelt idő [s] Térfogat változás [cm 3 ] 162 0,009 342,70 180 0,010 349,00 198 0,011 342,70 216 0,012 324,00 234 0,013 292,90 252 0,014 250,40 270 0,015 198,90 288 0,016 142,60 306 0,017 87,77 324 0,018 41,64 342 0,019 10,83 360 0,020 0,00 dv [cm 3 ] 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Térfogatváltozás(φ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 φ[ ] 5.2. diagram: A henger térfogat változása egy teljes főtengely fordulat alatt. Az utolsó lépések egyikeként a szívás ütem alatt kialakuló nyomások meghatározása következik. Erre a célra az alábbi egyenletet használom: p t p V k 2 0 Vk dvt [Pa]. (5.8) Az így meghatározott nyomások olyan szempontból lesznek érdekesek számunkra, hogy így tudjuk bemutatni, hogy miként alakulna a hengerben a nyomás, ha zárt lenne a rendszer. Ez a nyomásváltozás az alapja a szívócsőben kialakuló gázlengéseknek. Csakhogy, mivel a hengerbe van levegő beáramlás, ezért a nyomások meghatározása nagyon bonyolulttá válik. Ha zárt rendszert feltételezve 26

szeretnénk meghatározni az α AN értékét, akkor egyértelműen a 180 lenne az általunk keresett szögelfordulás. Viszont nyitott rendszernél, mint amilyen a hengerünk is a nyomás nem fog ennyire lecsökkenni, sőt egy idő után növekedni kezd. A hengerben lejátszódó valóságos nyomásváltozást a 4.5. ábrán figyelhetjük meg. A nyomás változását a szívás ütem alatt, ha nem lenne levegő beáramlás az 5.4- es táblázatban és az 5.5-ös diagramon láthatjuk. szögelfordulás [φ] 5.4 táblázat: Szívás ütem alatti nyomásváltozás. Eltelt idő [s] Nyomás [Pa] 0 0,000 100000 18 0,001 70760 36 0,002 35920 54 0,003 19020 72 0,004 11490 90 0,005 7867 108 0,006 5975 126 0,007 4932 144 0,008 4350 162 0,009 4054 180 0,010 3962 p [Pa] 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Nyomás(φ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 φ[ ] 5.3 diagram: Szívásütem alatti nyomásváltozás. A legkisebb nyomáshoz tartozó szögelfordulást a fentebb említett tények ismeretében a 4.5. ábra alapján: AN 90 -nak választjuk. A továbbiakban ezzel az értékkel fogjuk elvégezni a számításokat. 27

5.3. Szelepemelés változása A hengerben kialakuló nyomás mellett a töltetcsere szempontjából szintén fontos szerepe van az átáramlási keresztmetszet alakulásának. És mivel az átáramlási keresztmetszetet a szelepemelésből számítjuk, ezért a szelepemelésnek is. az lenne ideális a töltetcsere szempontjából, ha a szelepek nyitási és zárási ideje minimális lenne. Ekkor tudnánk a legnagyobb átáramlási keresztmetszetet a leghosszabb ideig fenntartani. Ez a valóságban nem lehetséges. Figyelembe kell vennünk a szelepek nyitási és zárási idejét. Ezen időtartamoknak a változtatására van lehetőségünk, mégpedig a bütyökprofil változtatásával. Ugyanis különböző kialakításokhoz különböző emelési mozgástörvények tartoznak. Megállapítható tehát, hogy az átáramlási keresztmetszet, szelepemelés számításához elengedhetetlen a vezérműtengely bütykének pontos ismerete. 5.3.1. Bütyökprofil kialakításával szembeni követelmények A belsőégésű motorok szelepeit - bármilyen vezérlésű rendszerű is a motor a vezérműtengelyen kialakított bütykök mozgatják. A dugattyú mozgásához igazított pontos szelepműködést a vezérműtengelyen kialakított bütyökprofil teszi lehetővé. Speciális kialakításait három szempont határozza meg: Az első a szelep nyitási és zárási pontja, ugyanis a nyitás és a zárás nem az ütemek kezdetén és végén, hanem a holtpontok előtt és után is bekövetkezhet.[1] A második a megkívánt szelepemelkedési magasság. Ennek azért van jelentősége, mert a legnagyobb szelepemelési magasságtól (h max ) függ a bütyök alapkörének sugara (r 0 ) és a tengely átmérőjének a nagysága. Himbás vagy emelőkaros rendszereknél lehetőség van módosító áttétel alkalmazására, így ez hozzájárulhat ahhoz, hogy a bütyökemelési magassága kisebb legyen, mint a szelepé.[1] És végül a harmadik: a szelepnyitáskor és záráskor fellépő gyorsulások, mert a bütyök egyik legfontosabb feladata, hogy a nyitva tartási időn belül a megfelelő sebességgel nyissa, illetve zárja a szelepet. Ebben az esetben figyelni kell arra, hogy a henger töltése szempontjából minél nagyobb átömlési keresztmetszetet kell szabaddá tenni. Ennek érdekében fontos a szelepek gyors nyitása és a minél nagyobb szelepemelés. Az se jó azonban, ha a nyitási és a zárási sebesség túlságosan nagy, mert ebben az esetben nagy gyorsulások lépnek fel, aminek hatására a nagy tömegerők révén nagyon terheli a vezérlő berendezéseket, károsíthatja azokat, valamint a mechanizmus belengését is előidézheti.[1] 28

5.3.2. Bütyökprofil kialakítása A bütyökprofiloknak többféle kialakítása lehetséges, a három alaptípus a tangenciális, a domború oldalú, a homorú oldalú vezérlőbütyök. Az alaptípusokat az 5.1-es ábrán figyelhetjük meg.[1] 5.1 ábra: Bütyökprofil alaptípusok(tangenciális, domború, homorú) [1] Mindhárom említett bütyök típus közös alapra vezethető vissza, ezt az oldalív sugarának kifejezése bizonyítja. Ahol: 2 2 2 b1 r0 r 2r0 b1 cos R 2 r r b cos 0 1 (5.9) Ha: b1 r0 hmax r [mm] (5.10) R 0 akkor domború oldalú a bütyök, R akkor tangenciális a bütyök, R 0 akkor homorú oldalú a bütyök.[1] A vizsgálatom során két domború oldalú bütyökkialakítást feltételeztem, melyeknek a legfontosabb, előre megadott méreteit az 5.6-os táblázat tartalmazza. 5.6 táblázat: Bütyökprofilok előre megadott méretei: Név Jel 1.bütyök 2.bütyök Mértékegység Alapkör sugár r 0 15 15 mm Fél vezérlési szög α 70 70 Max. bütyökemelés h max 6,6 6,6 mm Bütyökcsúcs lekerekítési sugara r 3,3 6,6 mm A megadott méreteken túl még meg kell határoznunk néhány, a profil kialakításához szükséges méretet, valamint az emelési görbének néhány jellegzetes pontjának az elhelyezését.[1] 29

5.3.2.1. Az oldalív sugarának meghatározása Az általam feltételezett bütykök kialakítása olyan, hogy az oldalív egy körívvel egyezik meg. Ez megkönnyíti az oldalív sugarának meghatározását, ugyanis ebben az esetben csak be kell helyettesíteni a szükséges értékeket a 5.9-es képletbe. A behelyettesítés után kapott értéket az 5.7-es táblázatban figyelhetjük meg. 5.7 táblázat: Bütykök oldalívének sugara Megnevezés Jel 1.bütyök 2.bütyök Oldalív sugara [mm] R 33,89 38,62 Az oldalív sugarának ismeretében már könnyen megszerkeszthetők az általam használt bütyök kialakítások. 5.3.2.2. A vizsgálat során használt bütyökprofil A fentebb meghatározott érétkek alapján a bütyökprofilok az 5.2-5.3 ábrának megfelelő kialakításúak. 5.2 ábra: Bütyökprofil az első esetben 30

5.3 ábra: Bütyökprofil a második esetben 5.3.3. Maximális szelep emelés meghatározása A maximális szelep emelés ismerete, elengedhetetlen a bütyök profil kialakítása szempontjából. Mivel a motorunkat olyan kialakításúnak feltételezzük, hogy a szelepek közvetlen vezérlésűek, vagyis nincs mozgás transzformáció a vezérlőbütyök és a szelepek között (s=s sz ). Ebben az esetben a bütyök és a szelep között lévő alkatrészre tulajdonképpen azért van szükség, hogy a bütyök forgása során keletkező jelentős oldalirányú súrlódási erő ne közvetlenül a szelepet terhelje. Ilyen berendezés például a szelepemelő talp. Ennek meghatározásához ismerni kell a szelepülés φ szögét. Egyszerű, lapos (φ=0) elzáró szelepnél a folyamatos áramlás létrehozásához s max =d/4 mértékben kellene emelni. A valóságban azonban a kúpos kialakítású szelepeknél a maximális szelepemelést a szelepülés φ szöge, és a szelepszár átmérője is befolyásolja. Mivel az átömlési keresztmetszetnek meg kell egyezni a szelepszárral csökkentett csatorna keresztmetszettel, ezért ezt az összefüggést felhasználva kifejezhető a maximális szelepemelés meghatározásához szükséges képlet:[1] 31

2 2 Asz dh cos d dsz (5.11) 4 2 2 d dsz s 4 max 6,6 d cos [mm] (5.12) A kapott eredmény megfelel annak az elvárásnak, hogy a 30-45 -os szelepülés esetén a szelepemelés egy meghatározott tartományon belül legyen: d d s max... 7...5,5 [mm] (5.13) 3 3,8 5.3.4. Szelepemelés és az átáramlási keresztmetszet számítása Az átáramlási keresztmetszet számításához első lépésként meg kell határozni a szelepemelést. Ennek meghatározásához a bütyökprofil pontos ismeretére van szükség. A jellegzetes pontok meghatározásához ismernünk kell az 5.4-es ábrán bejelölt szögek és oldalak nagyságát. 5.4 ábra: Bütyökprofil jellegzetes szögei és oldalai 32

A szelepemelés meghatározásához koszinusz tételt használunk. A szögek és jellemző méretek ismeretében az AB és a BC szakaszhoz is meghatározható az emelés. Első lépésként a bütyökprofil azon pontjaihoz tartozó szögeket határoztuk meg, ahol valamilyen változás fog bekövetkezni az emelés során. Ezekre azért volt szükség, mert a szögek függvényében tudjuk felírni az emelési utat. Az emelési út meghatározásához a koszinusz tételt használom. Az OAB és az OBQ háromszögre egyaránt fel tudjuk írni. Majd kifejezhető belőlük a h oldal hossza, amiből kivonva az alapkör sugarát, megkapjuk a szelepemelés nagyságát minden egyes pontban. A h hossz meghatározásához elengedhetetlen néhány szög és oldal ismerete. Az ABP háromszögben a P ponthoz tartozó szög koszinusza meghatározható a következő kifejezéssel. Ebből pedig könnyen számítható a P ponthoz tartozó φ v szög.[1] cos ' v b b1 cos R r (5.14) Mivel ez a háromszög egyenlőszárú, ezért az A és B pontnál lévő szögeknek (β) egyenlőnek kell lenniük. Ebből kifolyólag a β a háromszögek belső szögeinek összegének ismeretében kiszámolható az alábbi összefüggéssel: ' 180 v (5.15) 2 Az AB szakasz hosszának meghatározása az alábbi módszer szerint történik. 2 2 2 ' v (2x) 2R 2R cos (5.16) Következő lépésként az OBP háromszög γ szögének meghatározása következik. Mivel ezt a szöget nem tudjuk rögtön meghatározni, ezért először az OZP háromszög m és y oldalait számoljuk ki, a következő képleteket használva: ' v m bsin (5.17) ' v y bcos (5.18) Ha ismerjük az m és y értékét, akkor az OBZ háromszögbe felírt trigonometrikus összefüggésből meghatározható a γ szög a lenti összefüggéssel. tg m R y (5.19) 33

Mindezek után az OAB háromszög O pontjához tartozó φ v [ ] szög kiszámításához használt összefüggés könnyen felírható. bsin ' ' v ' v v arc tg ' v R b sin v (5.20) Minden szög és oldal ismeretében könnyen felírhatók a koszinusz tételek az adott háromszögekre. Először az OAB háromszögben írjuk fel, majd a kapott egyenletet h-ra rendezzük. Az így előállított összefüggés az AB körív mentén a h [mm] változását mutatja. 2 2 2 2r0 cos v 2r0 cos v 4 r0 2 x h (5.21) 2 A BC szakasz mentén a h [mm] változását az OBQ háromszögben felírt koszinusz tétel rendezésével határozhatjuk meg. Ami h-ra rendezve az alábbi formában írható fel: 2 2 2 2b1 cos v 2b1 cos v 4 b1 r h (5.22) 2 A CD és a DE szakaszon a szelepemelés ugyanúgy fog lejátszódni, mint az AB és BC szakaszokon, csak csökkenő értékeket fog mutatni. Ha minden egyes szakaszon meghatároztuk a h értékét, akkor már csak a szelep emelés meghatározása következik. Ehhez a művelethez az alábbi képletet használjuk. s h r 0 [mm] (5.23) Mivel két, egymástól kismértékben eltérő bütyök esetében vizsgálom a motor viselkedését, ezért két különböző szelepemelési és átáramlási keresztmetszetű görbét kapok. A szelep mozgását és az átáramlási keresztmetszet változást az 5.5.-5.8. diagramokon figyelhetjük meg. A szívószelep emelését a két különböző bütyökprofil használata során az elfordulás függvényében az 5.5-5.6. diagramok szemléltetik. 34

Szelepemelés(φ v ) s[mm] 7 6 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 φ v [ ] 5.5 diagram: Szelepemelés az elfordulás függvényében. (1.bütyök) 7 6 5 Szelepemelés(φ v ) h [mm] 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 φ v [ ] 5.6 diagram: Szelepemelés az elfordulás függvényében. (2.bütyök) Az emelés meghatározása után pedig az átáramlási keresztmetszet meghatározása következik az alábbi összefüggést felhasználva: [1] Asz dscos (5.24) Az átáramlási keresztmetszet változását a különböző bütyök kialakításoknál a 5.7-5.8 diagramok szemléltetik. 35