MOTORRENDSZEREK

MOTORRENDSZEREK

A belsőégésű motorok energia-átalakítók, a hőerőgépek családjába tartoznak. A hajtóanyagban rejlő hőenergiát alakítják át mechanikai munkává. A hőerőgépek két nagy csoportra oszthatók:

- Külsőégésű hőerőgépek, amelyekre jellemző, hogy az égéstér (pl. kazán) jól elkülönül a munkatértől (turbina, dugattyús munkahenger) és a két egység között zárt vagy nyitott körben közvetítő közeg szállítja a hőenergiát.

- Belsőégésű motorok, amelyekre jellemző, hogy az égéstér (még ha az osztott is) szerves kapcsolatban áll a munkatérrel és a beszívott égéslevegő, valamint a keletkező égéstermék egyúttal a munkaciklus munkaközegét is képezi.

A külsőégésű hőerőgépeknek elsősorban nagy, stabil energia-átalakítók (pl. erőművek) területén van jelentősége, míg a mobil berendezésekben (járművek, speciális célgépek stb.) főként belsőégésű motorokat alkalmaznak. Minthogy itt az autó- és traktormotorokkal foglalkozunk, így ebben a fejezetben a belsőégésű motorok rendszerező áttekintése a feladatunk.

1. A motorok működésének áttekintése

A motor munkafolyamata

Az energiahordozóban rejlő vegyileg kötött hőenergia a belsőégésű  motorokban elégetve szabadul fel. Az égéshez általában három feltétel együttes megléte szükséges (éghető anyag, oxigén, gyulladási hőmérséklet), de a motorikus égéshez még a gáztöltetet megfelelőképpen elő kell készíteni, el kell végezni a keverékképzést és a keveréket össze kell sűríteni (komprimálni). A motorikusan elégethető energiahordozókat a termikus hasznosítási célú tüzelőanyagoktól megkülönböztetésül hajtóanyagoknak nevezzük. A hajtóanyaggal reakcióba lépő oxigént az égéslevegő tartalmazza. Az energiaátalakulási folyamat a periodikusan ismétlődő munkafolyamatban (munkaciklusban) valósul meg. A ciklus egymást követő szakaszai határozottan csak elméletileg különíthetők el, a valóságban csak nehezebben választhatók külön. Az ütem a munkafolyamatnak egy löketre eső része. A motor működési elvétől függően ez kettő vagy négy ütem lehet. A folyamat elemei azonban az ütemhatárokon (holtpontok) átnyúlnak. A munkafolyamat (egymástól élesen szét nem választható)részei:   

- a friss közeg (töltet) beáramlása a munkatérbe (szívás vagy töltés), - sűrítés (kompresszió), - égés, terjeszkedés, - a közeg kiáramlása a munkatérből (kipufogás, kitolás).

Ezekből a sűrítés, az égés és a terjeszkedés együtt a főmunkafolyamat, a közeg be- és kiáramlása pedig a töltetcsere, mint kiegészítő folyamat. A munkafolyamat megvalósíthatóságához tartoznak még egyéb kí 616g66g sérő jelenségek, melyek a motorok működési elvétől, módjától függően különbözőképpen játszódnak le, befolyásolva annak okszerű működtetését.

Ezek: - a hajtóanyag elporlasztása, - a hajtóanyag bekeverése, a keverék összetételének szabályozása, - az égés megindítása (a keverék meggyújtása), - a töltetcsere során a henger átöblítése, - az égéstermék esetleges utókezelése, - kenés, hűtés.

Az égés a sűrítés vége előtt kezdődik és a terjeszkedési folyamatban fejeződik be. A motor zárt hengerébe juttatott és a meggyújtott hajtóanyag alapvetően a sűrítés mértékétől és a keverési aránytól függő sebességgel ég el. Ezt a folyamatot motorikus égésnek nevezzük. Az égés során felszabaduló hő hatására a gáz nyomása megnő és mivel az égéstér zárt, a dugattyút - amely a munkatérnek az egyetlen elmozdítható határoló eleme - elmozdítja. A dugattyú egyenes vonalú mozgását a forgattyús mechanizmus alakítja át a főtengelyen hasznosítható forgó mozgássá.

Különböző motortípusok összehasonlítása

A motorizáció több mint száz éve alatt a belsőégésű motoroknak rendkívül sok fajtája, változata alakult ki. A belsőégésű motorok felosztását, rendszerezését szabványok írják elő. A motortípusok összehasonlítását részben ezek alapján végezzük el.

 A belsőégésű motorok csoportosítása

Működési elv szerint

- Négyütemű motor (i=4). Egy munkafolyamatot négy löket, azaz két főtengely körülfordulás alatt megvalósító motor.   - Kétütemű motor (i=2). Egy munkafolyamatot két löket, vagyis egy főtengely-fordulat alatt valósít meg.

 A friss töltet bejutásának módja szerint.:

- Szívómotor. A motorba a friss töltet (levegő vagy levegő--hajtóanyag keverék) csak a dugattyúmozgás által keltett szívóhatásra áramlik be a környezetből a motor munkaterébe (vagy forgattyúházába).

- Feltöltött motor. Feltöltöttnek nevezzük a motort, ha a friss töltet sűrűségét megnövelik a szívómotor munkaterébe bejutó gáztöltet sűrűségéhez képest. 0,16 ˇMPa töltőnyomásig feltöltöttnek nevezzük a motort, ennél magasabb nyomás esetén túltöltöttnek.

A töltet összetétele .szerint.'

- Levegőtöltésű motor. Olyan motor, amelynek munkaterébe a levegő hajtóanyag nélkül jut be.  - Keveréktöltésű motor. Olyan motor, amelynek munkaterébe a levegő a hajtóanyaggal keveredve jut be.

A gyújtás jellege szerint:

- Kompressziógyújtású a motor, ha a gyújtás a sűrítés következtében a hajtóanyag gyulladási hőmérséklete felé nőtt, töltethőmérséklet következtében valósul meg.       - Izzófejes gyújtású a motor, ha az égést a munkatér valamely részében az előző égési ciklusból tartalékolt hő (izzó alkatrész) indítja meg. - Külső gyújtású (szikragyújtású) a motor, ha az égés megindításához szükséges energiát valamely külső szerkezet szolgáltatja. Pl. villamos gyújtás.

A keverékképzés módja szerint:

- Külső keverékképzésű motor. Olyan motor, amelyben a keverékképzés túlnyomóan a munkatéren kívül (karburátorban, szívócsőben) történik. - Belső keverékképzésű motorok esetében a hajtóanyag-levegő keverék létrehozása a munkatérben történik

A felhasznált hajtóanyag (tüzelőanyag) szerint:  - Benzinmotor "Ottó-motor,     - Dízelmotor (gázolajmotor), - Gázmotor (függetlenül attól, hogy a tartályban milyen halmazállapotú a hajtóanyag, de normál állapotban gáznemű) - Egyéb hajtóanyagú motor (pl. növényolajok, alkoholok, petróleum stb.) - Mindenevő motor. A gázolajon kívül más folyékony hajtóanyaggal is üzemeltethető. A különböző hajtóanyagok alkalmazása esetén a motoron átállítás vagy egyéb beavatkozás nem szükséges. - Átváltható motor. Kétféle hajtóanyaggal is működtethető motor, amely üzemének megszakítása nélkül kapcsolható át egyik hajtóanyagról a másikra. - Kettős (vegyes) hajtóanyagú motor. Olyan motor, amelyben egyidejűleg két különböző halmazállapotú (pl. gáz és folyékony) hajtóanyagot használnak fel.

Forgásirány szerint.'                 - Jobb forgású motor. A motor forgattyústengelyét a nyomatékot leadó végével ellentétes irányból nézve, annak forgásiránya megegyezik az óramutató járásával. - Bal forgású motor. A motor forgattyústengelyét az imént meghatározott módon nézve azt tapasztaljuk, hogy az óramutató járásával ellentétesen forog.

- Változtatható forgásirányú (reverzálható) motor. Olyan motor, amely mindkét forgásirányban képes üzemelni.

A munkatér nyitása és zárása illetve annak vezérlése szerint: - Szelepes motor, amelynél a gáztöltet cseréjére szolgáló csatornákat kényszernyitású szelepek vezérlik. A zárás általában rugóerővel történik. Az elrendezés szerint lehetnek: ˇ Oldalt vezérelt, oldalt szelepelt (SV-side valve) motor. ˇ Oldalt vezérelt, felül szelepelt (OHV-over head valve) motor. ˇ Felül vezérelt, felül szelepelt (OHC---over head camshaft; DOHC---double over head camshaft; CIH---camshaft in head) motor. - Résvezérlésű motor. 0lyan motor, amelyben a munkaközeg be- és kiáramló nyílásának nyitását és zárását a motor dugattyúja vagy egy külön forgó alkatrész (pl. forgótárcsa vagy forgószelep) végzi, de létezik nyomásvezérelt hörgőszelepes zárású kivitel is. ˇ Szimmetrikus résvezérlésű motor, amelynél a be- és kiömlőrés nyitása és zárása a holtpontokhoz képest szimmetrikus. ˇ Aszimmetrikus résvezérlésű motor, amelynél a be- és kiömlőrés nyitása vagy zárása a holtponthoz képest aszimmetrikus. - Vegyes vezérlésű motor, amelynek vezérlése a rés- és szelepvezérlés kombinációjaként kerül kialakításra. - Különleges vezérlésű motorok, amelyeknek a töltéscseréjét biztosító elemek az előzőekbe nem sorolhatók be (pl. tolattyús,, forgószelepes stb.).

A hengerek állása szerint:

 A henger helyzetének, állásának viszonyításánál a hengerfej felőli "felső" és a forgattyús tengely felőli "alsó" holtpontokat összekötő egyenest viszonyítjuk a függőlegeshez illetve vízszinteshez. A 1. ábrán a motorok csoportosítását látjuk a hengerek állása szerint. A hengerek állása nem csak egyszerűen helyzetet jelent, annak konstrukciós kihatása is van, ezért például egy függőmotorral szerelt repülőgép motorja hátonrepüléskor nem válik állómotorrá.

A hengerek száma és elrendezése szerint:

A motorok teljesítményének növelésére és tömegének csökkentésére irányuló törekvés hozta létre a többhengeres motorokat, amikoris több, egymás mellé kapcsolt henger közvetlen, vagy közvetve dolgozik egy főtengelyre. A motorok hengerelrendezési megoldásait mutatja a  ábra. A hengerelrendezés lehet

- soros motor (2a. és b. ábra) - V-motor (2c ábra) - Legyező-motor - Boxer-motor (2d. ábra) - Ellendugattyús-motor (2e ábra) - Háromtengelyes-motor (2f. ábra) - Kettősoros-motor (2g. ábra) - X-motor (2h. ábra) - Csillag-motor (2i. ábra)

1. Ottó-motorok

 Az Otto-motorok elnevezés egy olyan gyűjtőfogalom, amely nem azonos a szabványban a hajtóanyag, a keverékképzés, vagy a működési elv szerinti csoportosítással, hanem arra utal, hogy a megvalósított munkafolyamat, mely elméleti körfolyamaton alapul. Ezeknek a motoroknak egyik ismérvük tehát, hogy elvileg Otto-körfolyamatot valósítanak meg, a másik pedig, hogy külső (szikra) gyújtásúak, egyéb tekintetben sokféle típusváltozatuk létezik.Ezek   

Működési elv (illetve üzemszám) szerint: kétütemű, négyütemű   - Felhasznált hajtóanyag szerint: ˇ Folyékony: benzin, petróleum, alkohol stb. ˇ Gáznemű: PB, földgáz, hidrogén, biogáz, fagáz stb. - Keverékképzés módja szerint: ˇ Karburátoros ˇ Befecskendezéses: (szívócsőbe, torokba, hengerbe) - A dugattyú mozgása szerint: ˇ Alternáló dugattyús motor ˇ Forgódugattyús motor

Az itt kiemelt, az Otto-motorokra jellemző csoportosításon túlmenően természetesen az előzőekben bemutatott (és egyéb) osztályozási szempontok (töltetcsere, vezérlés, forgásirány, hengerelrendezés, hűtés, kenés stb.) is alkalmazhatók. A különböző motortípusok összehasonlító értékelése során ezekből csak a legjellemzőbbeket ragadjuk ki. Az Otto-motorok karburátoros vagy benzin-befecskendezések lehetnek. A karburátoros motor a múlt század végétől a 80-as évekig a közúti járműmotorok között a leggyakoribb benzin motor típus volt. Az ezredfordulóra fokozatosan visszaszorul, mert a vezető motorgyárak egyre inkább a befecskendezéses motorokat gyártják (3. ábra).

A szívás során motorban  a dugattyú a felső holtpontból az alsó holtpont felé haladva a hengertérbe légritkítást idéz elő (kb. 0,9 bar). A nyomáskülönbség hatására a karburátoron és a szívócsatornán át hajtóanyag levegő keverék áramlik be. A szívószelep már a felső holtpont előtt kinyit és az alsó holtpont után zár, mert a teljes nyitáshoz és záráshoz időre van szükség, valamint az igen nagy sebességre felgyorsuló gázáram tömegtehetetlenségi hatása számottevő, amelyet a henger minél jobb feltöltése érdekében ki kell használni.

Sűrítéskor a dugattyú felfelé halad és összenyomja a beszívott keveréket, miközben a szelepek zárva vannak. A sűrítési végnyomás és a hőmérséklet függ:

- a sűrítési (kompresszió) viszonytól (e =6-10) - a motor üzemi viszonyaitól (fordulatszám, hőmérséklet, terhelés stb.) - műszaki állapottól (kopás, beállítottság)

Terjeszkedés ütemében a dugattyú a felső holtpontból az alsó holtpont felé mozog. A szelepek továbbra is zárva vannak. A szikra által meggyújtott hajtóanyag egese már a felső holtpont előtt elkezdődik, vagyis nem valósítható meg az elméleti munkaciklus szerinti állandó térfogaton történő hőközlés, ezért törekszünk a holtpontra szimmetrikusan megvalósítani. A közölt hő hatására a gáztöltet állapotváltozása következtében megnövekvő nyomásból származó nyomóerő mozdítja el a dugattyút lefelé. A terjeszkedés során expandáló gáz munkát végez. A terjeszkedési ütem végén az alsó holtpont előtt a kipufogószelep kinyílik. A kipufogás két részben valósul meg. A holtpont előtt kinyíló szelepen keresztül a nagy nyomás hatására áramolnak ki a gázok, majd miközben a dugattyú az alsó holtpontból a felső holtpont felé mozog a nyitott kipufogószelepen keresztül kitolja az égéstermékeket.

A karburátoros motorok nem csak az itt ismertetett négyütemű elven működhetnek, hanem kétüteműek is lehetnek. Napjainkban az energiaárak folytonos emelkedése, valamint az egyre szigorodó környezetvédelmi szempontok játszanak közre a karburátoros motorok számának visszaszorulásában, a benzin-befecskendezés egyre szélesebb elterjedésében.

Dízelmotorok

 A dízelmotorokat a járműiparban csak a 20-as, a mezőgazdaságban pedig a 30-as években kezdték alkalmazni, azt megelőzően főként stabil motorként használták. Hátráltatta az elterjedésüket a nagy tömegük, robusztus kialakításuk. A technikai és technológiai fejlődés eredményeképpen olyan mértékben csökkent a tömegük, hogy ma már kis személygépkocsikba is előszeretettel építik be.  

A dízelmotorok belső keverékképzésűek és kompressziógyújtásúak. A Diesel-körfolyamatot a lassújárású dízelmotorok valósítják meg, míg a gyorsjárásúak az úgynevezett vegyeségésű Sabathe-körfolyamatot követik. A dízelmotor a munkafolyamatát a karburátoros motornál ismertetett ütemek szerint valósítja meg a következő eltéréssel: tiszta levegőt szív be, a sűrítés nagyobb mértékű (e = l3-24), a befecskendezés és a keverékképzés a sűrítési ütem végén következik be, a hajtóanyag meggyújtása nem szikrával, hanem kompresszióhővel történik, ugyanis a sűrítési ütem végén a levegő hőmérséklete magasabb a hajtóanyag gyulladási hőmérsékleténél. Ezek a motorok is lehetnek négyüteműek és kétüteműek. A 4. ábrán egy négyütemű dízelmotor felépítését látjuk.

A hengerbe egy-egy munkaciklus során beszívott levegő mennyisége csaknem azonos (kivéve amennyit a volumetrikus hatásfok változik), viszont a befecskendezett hajtóanyag dózisa széles határok között változtatható, ezért a légviszony intervalluma is széles, de a legkisebb értéke is (a > 1 ) légfelesleget mutat, vagyis több hajtóanyag elégetésére is képes, mint amennyi a pillanatnyi terhelés legyőzéséhez szükséges. Amennyiben a terhelés és az energia-bevitel (dózis) mérlege felborul a hajtóanyag javára, a motor megszaladhat, felpöröghet, ami szerkezeti károsodást idézhet elő, ezért a dízelmotorokat mindig fordulatszám szabályozóval látják el.

3. Izzófejes motor

 Ennek a motortípusnak már csak technikatörténeti jelentősége van, és mint az eddigiektől eltérő működési módot ismertetjük. Először 1923-ban jelent meg. Izzófejes motorral készült traktorokat a 60-as évek közepéig használtak nagyobb számban, de a II. világháborúban tüzérségi vontatóként is alkalmazták. Hazánkban különös jelentősége volt, mert a HSCS gyártmányok világszerte az egyik legreprezentánsabb képviselői ennek a motortípusnak, valamint mezőgazdaságunk tömeges motorizációja ezzel indult el. A Hofherr-traktor izzófejes motorjának hosszmetszetét a 5 ábrán látjuk.

Az ábrán megfigyelhetjük, hogy a hűtővízköpeny csak a hengert veszi körül, a hengerfej hűtetlen. A hengerhez viszonylag szűk toroknyílással csatlakozó hengerfejben a porlasztóval szemben egy izzókúp található, amelyet indításkor felmelegítettek, majd üzem közben az elégő hajtóanyag tartotta melegen. Ennek a keverékképzésben és az égés megindításában van szerepe.   A motor kétüteműként működik, vagyis minden főtengely fordulat alatt végez egy munkaciklust. A töltetcsere a hengerfalon kialakított rések és a forgattyús házon hörgőszelepszerűen kialakított légcsappantyú segítségével történik. Az alsó holtpontból a felső holtpont felé mozgó dugattyú - miután felső éle elzárta az átömlő és kipufogó nyílást - a hengerben sűríti a korábban bejutott levegőt, a forgattyús házban pedig a térfogat-növekedés révén a légszűrőn keresztül a légcsappantyún át levegőt szív be. A porlasztó a hajtóanyagot már nem sokkal azután ráporlasztja az izzókúpra, amikor a dugattyú elhagyta az alsó holtpontot, ahol az elpárolog. A dugattyú által a hengerfejbe préselt levegő összekeveredik a hajtóanyaggal, ugyanakkor fel is melegszik részben a sűrítés, részben az izzókúp által, majd meggyullad miközben a dugattyú eléri a felső holtponti helyzetét. A hengerfejben meggyulladt keverék átáramlik a hengertérbe, ahol friss levegővel keveredve folytatódik az égés, de a nyomásnövekedés hatására a dugattyú megindul az alsó holtpont felé. A hengerben munkaütem, a forgattyús házban pedig elősűrítés zajlik, ugyanis a légcsappantyú rugalmas acéllapjai záródnak. A dugattyú alsó holtponti helyzetéhez közeledve kinyitja előbb a kipufogó, majd az átömlő csatornákat és megtörténik a töltetcsere. A szűk toroknyílás miatt a hengerfejből az égéstermék nem öblítődik ki, ezért hiába fecskendezi a porlasztó már a dugattyú alsó holtponti helyzete után az izzókúpra a hajtóanyagot, mert az égéshez szükséges oxigén csak a sűrítéskor jut be a hengerfejbe. A kompresszióviszony e =5-11. Ezeket a motorokat "féldízelnek" is nevezik. Forgásiránya változtatható.

4. Forgódugattyús motor

Felix Wankel forgódugattyús motorjának első modelljét 1924-ben készítetté el. Közel 30 évig tömítési és gyártási technológiai nehézségek elhárításán dolgozott. Az NSU-gyár támogatásával 1951-ben új kísérletsorozatot kezdett, melynek eredménye, 1954-ben egy működő forgódugattyús motor volt. A forgódugattyús motor működését a 6 ábra mutatja.

A Wankel-motor aktív eleme a lapos, ívelt háromszög alakú dugattyú, amely forgó és egyben bolygó mozgást is végez. A két különböző szögsebességű forgó mozgás eredőjeként a dugattyú csúcsai egy ún. epitrahoidot írnak le, és közben folyamatosan változó nagyságú munkateret hoznak létre. A dugattyúval vezérelt, szívással és kiszorítással működő motornak tiszta gázcseréje van. Az epitrahoid alakját követi a ház belső körvonala is. Forgás közben a dugattyú csúcsai és tömítőélei állandóan súrolják a ház falát. Egy teljes munkafolyamat egyetlen fordulat alatt zajlik le 4 ütemben, s az egyes ütemeket a pajzs alakú dugattyú élei határolják. Egymással párhuzamosan 3 munkatér működik, különböző fázisokban. Az összesűrített keveréket elektromos szikra gyújtja meg. Az égéstermékek nyomása a dugattyú oldalfelületére hat. A nyomóerő eredőjének mindig van a motor főtengelyére ható forgatónyomatéka.  A motort úgy is felfoghatjuk, mint résvezérlésű négyütemű motort. A dugattyú egy körülfordulása közben a három térben három munkaciklust bonyolít ugyan le, de eközben a főtengely is hármat fordul, tehát egy főtengely fordulatra végül is egy munkaütem jut. A lökettérfogat tehát a munkatér kétszerese. Kezdetben a egy forgórészes benzinmotorként gyártották, napjainkban elsősorban japán autógyárak több forgórésszel is gyártanak motorokat, valamint Angliában kétlépcsős bolygódugattyús dízelmotor fejlesztésével is foglalkoznak (egy lépcsőben nem érhető el megfelelő sűrítési viszony).

Előnyei: - nem kell mozgás-átalakítást megvalósítani (forgó-alternáló) - nincsenek kiegyenlítetlen tömegerők, - nem kell külön vezérmű.

Hátrányai: - tömítési, hűtési, kenési problémák, - nagyobb fajlagos fogyasztás, - rövidebb élettartam, - környezetszennyezőbb.

5. Gázturbinák

A gázturbina áramlási elven működő forgógépekből felépített hőerőgép, amelyben teljes körfolyamat játszódik le, eltérően a gőzturbinától, amelyben a körfolyamatnak csupán az expanzió része valósul meg. A munkafolyamat tehát hasonlít a dugattyús motorokéhoz, további hasonlóság, hogy általában nincs zárt munkaközeg, hanem az égéslevegő, illetve az égéstermékek végzik a munkát. A belsőégésű dugattyús hőerőgépektől abban térnek el, hogy az égéstér és a munkatér nem azonos.

 A működés lényege az, hogy az égéshez szükséges levegőt valamilyen forgó rendszerű sűrítő (axiális, radiális, esetleg forgódugattyús) szállítja az égéstérbe, ahová a hajtóanyagot folyamatosan fecskendezik be, ahonnan az égés (hőközlés) következtében a megnövekedett nyomású égéstermékek fúvókákon keresztül a turbinalapátokba ütközve forgásba hozza azokat, miközben a gázáram expandál. A gázturbinák az elméleti Humphrey-körfolyamatot valósítják meg. A gázturbináknak sok fajtája alakult ki, amelyeket többféle szempont szerint csoportosíthatunk:

Munkafolyamat szerint: ˇ állandó nyomású hőközlésű  ˇ állandó térfogatú hőközlésű

A munkaközeg útja szerint: ˇ zárt munkafolyamatú   ˇ nyílt munkafolyamatú

Elrendezés szerint ˇ egytengelyű  ˇ többtengelyű

A turbinából távozó közeg hőjének hasznosítása szerint: ˇ hővisszanyerő (hőcserélő) nélküli -hővisszanyerős

Teljesítményük méretük szerint a 100-500 kW teljesítményű kis, jármű turbináktól a néhány száz, illetve ezer kW teljesítményű hajó és repülő turbinákon át a több száz MW teljesítményű erőműi gázturbináig rendkívül változatos a szerkezeti kialakításuk. A gépjármű üzemre elsősorban a kéttengelyes turbinák alkalmasak, de a magas fordulatszám miatt ehhez is speciális tengelykapcsolóra, sok fokozatú és nagy áttételű sebességváltóra van szükség.

A gázturbinák előnyei:  - a hajtóanyagra kevéssé érzékeny (értéktelen energiahordozók is elégethetők), - forgómozgást végez, jó kiegyenlíthető, járása egyenletes, - egyszerű, kicsi a meghibásodás lehetősége, hosszú élettartam, - nagy a nyomatéki rugalmassága, - vízszegény helyeken csúcserőműként jól alkalmazható.

A gázturbinák hátrányai: - nagy fajlagos hajtóanyag-fogyasztás, rossz hatásfok, különösen kisebb teljesítményeknél, - a magas fordulatszám miatt fontos a precíz gyártás, ami drágítja, - a nagy hőterhelés (600-800 oC) a lapátokon, ezért hűtési, a csapágyazásnál    kenéstechnikai problémák, - terhelésváltozásra érzékeny, - környezetszennyező.

6. Szabaddugattyús motor

 A szabaddugattyús motor lényegében egy gázgenerátorként működő dugattyús belsőégésű motorból és egy azzal összekapcsolt gázturbinából áll, ahol a hasznos teljesítményt teljes egészében a turbina tengelyéről veszik le. A 7. ábrán a szabaddugattyús gázgenerátoros gázturbina működési vázlata látható.               

A gázfejlesztő kisebb dugattyúi a munkadugattyúk, amelyek ellendugattyúként egymással szemben mozognak és a hengerben kétütemű dízel munkafolyamatot valósítanak meg. A nagy átmérőjű dugattyúk a kompresszordugattyúk, amelyek körgyűrű alakú felületükkel a külső levegő szivattyúzását és elősűrítését végzik, a külső kör alakú felületeik pedig a légpárnateret zárják le. A szívó és elősűrítő tér szelepvezérlésű, a belső hengertér pedig résvezérlésű. A hengerben kétütemű dízel munkafolyamat játszódik le.

Indításkor külső tartályból nagy nyomású levegőt vezetnek a kompresszordugattyúk mögötti térbe. A levegő nyomása előre löki a dugattyúkat. A kompresszordugattyúk átnyomják az előttük lévő levegőt az elősűrítő térbe, ezzel egyidejűleg a munkadugattyúk - közeledve egymáshoz - összesűrítik a bent lévő levegőt. A felső holtpont előtt befecskendezik a hajtóanyagot, ami a kompresszióhő hatására meggyullad és elég. Az égéstermékek nyomása visszalöki a dugattyúkat, miközben a kompresszordugattyúk szívást végeznek, a munkadugattyúk közül az egyik kinyitja a kipufogóréseket a másik pedig az átömlő réseket. A kipufogóréseken keresztül távozó égéstermék (500-750 oC) egy pufferként ható tárolótartályon (B) keresztül a gázturbinába (C) jut, ahol expandálva munkát végez. A légpárnában összesűrített levegő visszadobja a dugattyúkat, így az ismertetett munkaciklus újra kezdődik és periodikusan ismétlődik.

Egy turbina több gázgenerátorral is összeépíthető építhető. Leggyakrabban két generátor dolgozik közös turbinára, de létezett nyolc generátoros egység is.   

Előnyei: - Effektív hatásfoka (35-40 %) jobb, mint az egyszerű gázturbináké, közelíti a feltöltött dízelmotorokét. - Nyugodt, rezgésmentes járás.

Hátrányai: - Konstrukciós nehézségek a gázgenerátornál. - A dugattyúk szinkronizálása, holtpont stabilitása nehezen kezelhető. - Körülményes a szabályozása.

7. Feltöltött motorok

A belsőégésű motorok teljesítménynövelési módjai lényegében három paraméter megváltoztatása köré csoportosíthatók:

- a lökettérfogat növelése,   - a fordulatszám növelése, - a középnyomás növelése.

A középnyomás növelésének egyik lehetősége, hogy a gáztöltet ne csak a dugattyú szívóhatása révén jusson be a motor hengerébe, hanem valamilyen töltőberendezés (sűrítő) segítségével. Ez kettős hatással jár, egyrészt a munkaciklus eleve magasabb nyomásszintre kerül, másrészt több levegő jut a hengerbe, ami több hajtóanyag elégetését teszi lehetővé, a nagyobb mértékű hőközlés fokozottabb nyomásnövekedést idéz elő, miáltal a körfolyamat területe nő, ezzel együtt nő a középnyomás is. Így kb. 25-50 %-kal növelhető a motor teljesítménye és néhány százalékkal javul az effektív (gazdasági) hatásfok is.

A motorok feltöltésével a későbbiekben részletesebben foglalkozunk, itt csak motorrendszertani szempontból helyezzük el, és csak olyan mértékig tárgyaljuk a működését, ami az összehasonlítás megtételéhez elegendő. A motorokat csoportosíthatjuk: a feltöltés módja, a feltöltés mértéke és a sűrítők hatása szerint.

A jármű- és traktormotoroknál leggyakrabban a turbófeltöltőket alkalmazzák. Működésének a lényege az, hogy a dugattyús belsőégésű motorból távozó kipufogógáz forgásba hozza a turbinakereket, ami közös tengelyen van a sűrítő járókerekével, ezáltal a sűrítő a szívócsőbe a légköri nyomásnál nagyobb nyomással szállítja a levegőt. A feltöltő nagyobb nyomásviszonyánál a sűrítés felmelegedéssel is jár. A felmelegedett levegő sűrűsége csökken, ami rontja a töltési fokot, valamint a motor hőterhelés is jelentősen megnövekszik, ezért egyes konstrukcióknál a töltő levegőt visszahűtik (intercooler).

A turbófeltöltők járókerekének percenkénti fordulatszáma több tízezer, illetve százezer feletti is lehet, ráadásul a forró (6-800 oC) kipufogógáz hőterhelése jelentkezik a turbina felől, ezért a csapágyazásra, azok kenésére, ezzel hűtésére különös gondot kell fordítani.

 A feltöltött motorok előnyei: - a motor teljesítménye növelhető, - javul a motor rugalmassága, - csökken a fajlagos fogyasztás, javul a gazdasági hatásfok, - kisebb a fajlagos motortömeg, - légköri nyomásváltozásra (magasság változás) kevéssé érzékeny, - javulhat a kipufogógáz összetétele.

 A feltöltés hátrányai: - növekszik a motor hőterhelése, - több az alkatrészek száma, ezért nagyobb a meghibásodás lehetősége, - karburátoros motoroknál nem alkalmazható, - egyes esetekben a nyomatéki rugalmasság romolhat.

8. Kétütemű motorok

A motor munkaciklusának ismertetésekor láttuk, hogy milyen folyamatoknak kell lejátszódnia. Amennyiben a munkafolyamat a dugattyú két lökethossznyi elmozdulása, azaz egy főtengelyfordulat alatt zajlik le kétütemű, amennyiben ennek a duplája alatt,. akkor négyütemű a motor. A négyütemű motor működését már ismertettük, illetve a későbbiekben még részletesebben is foglalkozunk vele.

A kétütemű motorban is le kell játszódnia a munkafolyamat minden elemének, de ez csak úgy lehetséges, hogy segéd tereket (pl. forgattyús ház), vagy segéd berendezéseket (pl. töltőkompresszor) veszünk igénybe. A kétütemű motor lehet Ottó-motor és dízelmotor. A kétütemű motorokban a sűrítés és a terjeszkedés a két fő ütem, ez teszi ki egy-egy löket tetemes részét, a másik két ütem (szívás, kipufogás), ami a gáztöltet cseréjére szolgál, a töltetnek csak rövid szakaszára korlátozódik. A 8. ábrán a kétütemű Ottó-motor működése.

A motoron nincsenek szelepek, a keverék be- és kiáramlása a henger falán lévő réseken illetve csatornákon keresztül folyik. A réseket maga a dugattyú nyitja és zárja, méghozzá felső élével a kipufogó- és átömlő-, alsó élével pedig a szívónyílást. A munkafolyamatban a forgattyúház is részt vesz, a motor oda szívja be a friss keveréket, majd ott elősűríti és utána az átömlő csatornán keresztül nyomja a hengertérbe.

 Összehasonlítva a négyütemű motorral, a következőket állapíthatjuk meg

Előnyei:     - egyszerű szerkezet , - könnyű indíthatóság, - kicsi fajlagos motortömeg, - kezelése egyszerű, - hosszú élettartam.

 Hátrányai:    - nagyobb fajlagos hajtóanyag-fogyasztás, rosszabb hatásfok    - a keverékolajozás miatt magasabb olajfogyasztás, - kipufogógáza környezetszennyezőbb.

A 9. ábrán egy kétütemű dízelmotort mutatunk be. Ez a motor is egy főtengelyfordulat alatt bonyolít le egy munkaciklust. A töltetcsere vegyes vezérlési rendszerben valósul meg, vagyis a friss levegő az alsó holtpont közelében kialakított réseken keresztül jut be, a kipufogógáz pedig a hengerfejben elhelyezett szelepen (szelepeken) át távozik. A friss levegő szivattyúzása és a hengerbe juttatása ma már nem forgattyúház feltöltéses rendszerű, hanem a főtengelyről mechanikusan meghajtott Roots-fúvóval történik.

Előnyei: - nagy teljesítmények elérésére van lehetőség, - nagy a fajlagos motorteljesítmény, - alacsony fajlagos hajtóanyag-fogyasztás, - ugyanolyan hengerszám esetén kisebb a főtengely egyenlőtlenségi foka.

 Hátrányai: - nagyobb a dugattyú hőterhelése, - nem egyszerűbb a szerkezet, - a magas befecskendezési nyomás speciális konstrukciós problémákat vet fel, - a feltöltő eléggé nagy tömegű, - a feltöltőnek részterheléseknél viszonylag nagy a teljesítmény-felvétele,

9. Különleges motorok

 Ez a fogalom koronként változik, hiszen ami kezdetben különlegesnek, számított, az később szélesebb körben elterjedhetett. Annak idején például a dízelmotort, majd a feltöltéses motort, eleinte a benzinbe-fecskendezéses motort is ide sorolhattuk, ma ezek már szokványosnak tekinthetők. A motorizáció több, mint száz éve alatt rendkívül sok kísérlet, próbálkozás történt a belsőégésű motorok fejlesztésére, megreformálására. Ma már szinte lehetetlen olyan merőben új megoldásra bukkanni, amelyet még ki ne próbáltak volna, persze nem lehet kizárni az átütően új eredmények születésének a lehetőségét, de most inkább a finomításokra irányuló fejlesztőmunka időszakát éljük. Vannak olyan találmányok, amelyek megmaradtak a különleges kategóriában, mint például:

- hatütemű motor, - ferdetárcsás hajtóműves motor, - vezérlőpálya működtetésű dugattyús motor, - bolygóhengeres motor, - kulisszás hajtóműves motor stb.

Arra is van példa, hogy egyes motortípusok vagy megmaradtak periférikus, illetve speciális alkalmazási körben, vagy újra meg újra felelevenítik a rajta folytatott kísérleteket és jelenleg is fejlesztési stádiumban vannak. Ezek közül is említhetünk néhányat:

- keresztfejes motor (hajómotorként elterjedt), - Stirling-motor, - kerámia motor, - plazma motor, - víz-befecskendezéses motor, - exergia motor, - különleges hajtóanyagú, illetve a mindenevő motorok legkülönbözőbb kivitelei stb.

A konvencionálistól eltérő motorokból eddig is bemutattunk kettőt: a forgódugattyús (Wankel) motort és a szabaddugattyús motort. A sok közül adalékként még egyet ismertetünk, amelyik merőben eltér az előzőektől, egy régi új, vagyis elvileg kb. 150 éve ismert az elve, újra meg újra felbukkan, fejlesztgetik, de nem tudott elterjedni és lényegében nem is belsőégésű, hanem külsőégésű dugattyús hőerőgép, ez a Stirling-motor (lásd a 10. ábra).

A Stirling-motor a belsőégésű motorokkal annyiban azonos elv alapján dolgozik, hogy adott mennyiségű kis hőmérsékletű gázt sűrít, majd azt felhevítve expandáltatja. A gáz felhevítése azonban külső hőforrással a környezettől elválasztott térben történik. A felső ún. gázcserélő dugattyú fel- és lefelé mozogva a bezárt gázt (nagynyomású hidrogén v. hélium) a fűtő-, regenerátor és hűtőelemeken keresztül a meleg térből a hideg térbe és onnan visszaszállítja. A fűtő- és hűtőelem közé iktatott regenerátor porózus anyaggal van töltve és felveszi a forró gáz melegét, mielőtt az a hűtőbe jut, majd azt fűtéskor ismét értékesíti.

 Előnyei:      - alacsony zajszint,   - a kipufogógáz a belsőégésű motor károsanyag összetevőinek csak     töredékét tartalmazza, - sokféle hajtóanyaggal használható, - nyomatéki és fordulatrugalmassága jó.