Gyújtás, előgyújtás, égés a hengerekben

A Karl Benz által egyszerűen csak a "problémák problémájának" nevezett gyújtás tehát megoldódni látszik az akkumlátoros gyújtás megvalósításával (mely az elektronika felhasználásával éli át sokadik forradalmát). Lássuk, mi zajlik gyújtás után a hengerekben, és ehhez vajon mi köze a gyújtásnak magának?

Nos, először is a gyújtás energiáját a gyújtógyertya közli az égéstérben áramló-kavargó benzin-levegő keverékkel. Az előző részben láttuk, hogy a fordulatszám növekedésével a szikrateljesítmény csökken (a tranzisztoros gyújtás kivételével). Ez normális üzemben nem okoz problémát, mivel a gyújtási rendszereket eleve a kritikus tartományra méretezik. Azonban akár a gyújtási energia csökken, akár a tüzelőanyag-koncentráció csökken le (szegény keverék), kihagyásos jelenségek lépnek fel, különösen motorfék üzemben (szegényedő keverék) vagy gyorsításkor (növekvő terhelés). A minimális gyújtási teljesítménynél (ahol a benzin-levegő keverék még éppen meggyullad) nagyobb szikrateljesítmény egy bizonyos határig javítja az égésfolyamatot (optimális szikrateljesítmény). Tény, hogy az enyhén szegény keverék okozta problémák részben vagy teljesen megszüntethetők a szikraenergia növelésével (ezt a mai motorok szegénykeverékes üzemállapotai esetében felhasználják, ahogyan a szikraszám növelését is). Az is igaz, hogy az enyhe gyújtási problémák tünetei elfedhetők a keverék enyhe dúsításával! Ugyanis gyenge szikrateljesítmény esetén a bevitt elektromos energia kevés az égésfolyamat tökéletes beindításához, az égés kibontakozása lassabb lesz, növekszik a lappangási idő (erről hamarosan), az égési sebesség pedig csökken. Enyhén dúsabb keverék esetében enyhén javulnak az égési feltételek, különösen a kritikus tartományokban, például gyorsításnál; ugyanis egy bizonyos határig dúsabb keverék itrányában a minimális és az optimális gyújtási energia csökken. Gondoljunk csak bele, hogy a hengerben örvénylő gyúlásképes keverék inhomogén eloszlása miatt sokkal nagyobb valószínűséggel találkozik egy gyúlékonyabb rész egy hosszabb szikraívvel, mint egy gyengébb röviddel. Emellett egy szegényebb keverékköd meggyújtásához is elegendő lehet egy nagyobb értékű energiaközlés.

Az égés folyamata

A motorban végbemenő égésfolyamat végső soron a benzin kémiai energiájának felszabadulása, az így létrehozott hőenergia által előidézett expanzió alakítja mechanikai munkává. Célunk, hogy ez az átalakulás minél optimálisabb legyen, azaz minél kevesebb hőenergia adódjon át veszteségként a környezetnek: a dugattyúnak, hengerfejnek és a hengerfalnak. Célunk tehát az, hogy a nyomásértékek maximuma a forgattyús tengely legnagyobb emelőkarjára hasson. Felső és alsó holtpontban a hajtókar éppen függőleges, ekkor nem tud forgató irányú nyomatékot átadni. Optimálisan a felső holtpont után 90 fokkal tud a legnagyobb erőkaron hatni - de mivel az égésnek kell egy terjedési idő, amíg a hengerben levő valamennyi keveréket meggyújtja, így ennél korábban kell indítanunk. A kérdés már csak az, mennyivel?

A motor indikátor diagramja

A szikra átívelése és a kimutatható nyomásemelkedéssel járó gyors égésfolyamat megindulása között eltelt időt lappangási időnek nevezzük. A szikra tehát meggyújtja a közelében levő benzinrészecskéket, melyek égése során felszabaduló hő újabb részecskéket gyújt be. (Látható, ha túl kicsi a szikraenergia, túl kevés részecske ég el, kevés hő képződik, lassul a kezdeti égés, de le is állhat.) Az egyre újabb meggyulladó részecskékből végül lángfront alakul ki (ekkortól számítjuk a lappangó égés végét), az elégett, felhevült gáz pedig kiterjed. Összenyomja az égéstérben levő még meggyújtatlan keveréket is, mely egyre melegszik és sűrűsödik, az égés pedig láncreakció-szerűen gyorsulva végighalad a hengerben - a tovahaladó égéssel nő a gáz égési sebessége. A folyamat során végbemenő nyomásváltozásokat ábrázolva a főtengely elfordulásának függvényében kapjuk a motor indikátor diagramját.

Túl korai gyújtás, előgyújtás

Egy gondolatig elidőzve még az égés folyamatánál, nézzük meg, mi történik, ha a tüzelőanyag túlzottan gyúlékony, vagy túl nagy a sűrítés a hengerben (a kettő végül is ugyanazt jelenti). Ekkor az égési folyamatban a kiterjedő gáz sűrítésének következtében olyannyira felhevül, hogy öngyulladási hőmérsékletét meghaladva meggyullad (ez általában jellemző gócpontokban történik adott motortípusnál). Ez motorikus problémákhoz vezethet olyankor, ha nagyobb mennyiség ég el robbanásszerűen, mivel ilyenkor egyrészt túlzottan korán és túlzottan gyorsan emelkedik a nyomás: igénybe veszi a dugattyút és a forgattyús mechanizmust. Ilyenkor a motor kopog, csilingel és erősen melegszik is, bár magasabb fordulaton, sokhengeres motoroknál a motor járásán nem biztos, hogy észlelhető, és az egyéb zajok is elnyomhatják. Ez a jelenség fordulhat elő túlzottan alacsony oktánszámú benzin használata esetén, de ugyanez történik akkor is, ha túlzottan korán indítjuk el az égést!

Az indikátor diagram elő- és utógyújtásnál

Az égés optimális időzítéséhez nem csupán a lappangási időt kell ismernünk, hanem a lángfrontszerű égés sebességét is (25-60 m/s), melymeghatározott idő alatt halad át az égéstéren - miközben a dugattyú is halad, a főtengely fordul... Tehát kellően korán kell kezdeni a gyújtást, azonban nem túlzottan, hogy elkerüljük a kopogásos égést.

Utógyújtás

Problémákat okozhat az is, ha túl későn indítjuk meg az égést. Ekkor ugyanis a nyomásenergia kihasználásának egyrészt határt szab a kipufogás kezdete, másrészt a létrejövő térfogatnövekedés eleve nagyobb térfogatról indul, így relatív kisebb lesz a végzett munka. Mindemellett mivel ekkor a nagyobb térfogatban sokkal nagyobb felületen ad át hőenergiát a hengerfalnak, ezért az jobban melegszik. Ráadásul az égés megindulásakor a gázok nyomása eleve kisebb lesz, így az égés meghosszabbodik, belenyúlik a kipufogási ütembe, mely a leömlők és a kipufogó melegedését okozza. Utógyújtásnak azt a szélsőségesen késői gyújtást értjük, amikor az a felső holtpont (FHP) után következik be. Ekkor a motor teljesítménye jelentősen csökken, és erősen melegszik. Nem hallgatható azonban el az a tény sem, hogy alapjáraton ilyenkor egyrészt lágyabbá válik a motor járása, másrészt a lassabb, tökéletesebb égés kevesebb károsanyag-kibocsátással is jár, vízhűtés és termosztát alkalmazása esetében pedig a melegedés uralható. Valószínűleg részben ez volt az oka, hogy a későbbi W108 modellek esetében, különösen az amerikai exportverzióknál az emissziós normák miatt alapjáraton viszonylag nagy értékű utógyújtást alkalmaztak.

Az előgyújtás változása

Érdemes megemlíteni, hogy szegényebb keverék esetében nem csak a lappangási idő növekszik, hanem lassul az égés folyamata is - a ritkább keverékben a lángfront lassabban terjed. Tehát függ a keverék minőségétől. Alapjárat közelében általában a kedvezőtlenebb porlasztási viszonyok (pl. kicsapódó tüzelőanyag-részecskék) miatt relatív lassabb az égés, fordulaton a kedvezőbb öblítés, finomabb prolasztás miatt gyorsabb.

Lappangási idő (Tl)és égési sebesség (vé) változása a fordulatszám függvényében	Lappangási idő változása a terhelés függvényében (a fordulatszám állandó)

Láttuk, hogy úgy célszerű megindítani az égést, hogy a lappangási idő elteltével meginduló nyomásnövekedés a felső holtpont közelében, kissé az után érje a dugattyút (lásd indikátordiagramok). Nehezíti a helyzetet az a tény, hogy egyrészt a terhelés (folytószelepállás) függvényében is változik a lappangási idő (hőmérséklet, sűrítési nyomás, stb. változása miatt). Másrészt a fordulatszámtól függően is változik, időben ugyan csökken, de forgattyús tengelyfok függvényében - általában - növekszik. (Magasabb forulaton nagyobb a szögsebesség, így azonos idő alatt a főtengely többet fordul).

Fentiek miatt a motorok pontos előgyújtás-igényét csak méréssel lehet meghatározni, különböző fordulatszámok és terhelések esetében. Ezt a gyárak általában különféle feltételek figyelembe-vételével (kedvező fogyasztás, viszonylag legnagyobb teljesítmény, esetleg környezetvédelmi okok, a várható piacon kapható üzemanyag, stb.) meghatározták.

Egy motor előgyújtásigénye teljes terhelésnél a fordulatszám függvényében

A balra látható ábrán egy példamotor teljes terheléséhez tartozó előgyújtás-igényét ábrázolták a fordulatszám függvényében. Előgyújtás-igénynek azt az előgyújtást tekintik, ahol a fajlagos fogyasztás minimuma és a teljesítmény maximuma találkozik. Ez a karakterisztika viszonylag jól lekövethető egy kétfokozatú röpsúlyos szabályozóval (olcsóbb megoldásoknál egyfokozatú). Ez a szabályozó a gyújtáselosztóba épített röpsúlyokból és a karakterisztikát progresszívvá tevő két rugóból áll. A súlyok képesek elfordulni a rugók ellenében, elmozdítva ezzel a gyújtásalaplapot, melyen a megszakító található. Az alaplap megfelelő elmozításával a megszakító kalapácsának mozgató éle a tengelyhez képest relatív elmozdul. A súlyok, melyek a fordulatszám függvényében "nyílnak ki", elmozdulásukkal ezáltal biztosítják a megfelelő előgyújtást. Ez a szabályozó kizárólag a fordulatszám függvényében képes szabályozni.

Egy motor tüzelőanyag-fogyasztása az előgyújtás függvényében alapjáraton

Szükség van ugyanakkor terheléstől függő szabályozásra is, hiszen mint láttuk, a folytószelep záródásakor, például a gázpedál félállásában a lappangási idő növekszik. Ekkor a szívócsőben növekszik a depresszió, kisebb lesz a sűrítési csúcsnyomás, romlik a hengerek öblítése, kevesebb tüzelőanyag jut a hengerekbe - romlanak az égés feltételei, növekszik a lappangási idő. Ezt az előgyújtás növelésével lehet kompenzálni, erre a szívócső depresszióját használják ki a vákumos szabályozó segítségével. Ez a szabályozó egy membránnal ellátott szelence az elosztó oldalán, melynek egyik oldalán a szívócsőbe csatlakozik. A vákum hatására a membrán elmozdul, egy kis kar segítségével elmozdítva a gyújtásalaplapot. Gyakorlatilag elmondható, hogy csökkenő terhelések felé az előgyújtásnak növekednie kell, ezt pedig a szívócső-vákum segítségével viszonylag egyszerűen meg lehet valósítani.

A bal oldali ábra az előző motor gyújtásoptimumát ábrázolja alapjáraton. Látható, hogy itt meglehetősen magas érték adódik, mégsem fordul elő, hogy ilyen magas alapelőgyújtás lenne megadva bármilyen motornál (ennél a motornál kb. 4 fok). Ennek oka, hogy egyrészt a motor indításakor minél kisebb, esetleg negatív alapelőgyújtás alkalmazása célszerű a könnyű indíthatósághoz, másrészt hirtelen gyorsításkor (nagy terhelés!) az előgyújtásnak gyorsan kellene csökkennie a kopogás elkerülésére, ami nem megvalósítható. Fentiek miatt hibás lehet az alapelőgyújtás beállítása oly módon, hogy a legkedvezőbb üresjárathoz ("fülre") állítják azt, hiszen ekkor túlzottan nagy érték adódik.

Az egyes motorok előgyújtás-értékeit a gyárak hosszas kísérletek és futópróbák után állapítják meg, számos olyan tényezőt is figyelembe véve, melyek hagyományos műhelykörülmények között nem is mérhetők. Egy rossz beállítás okozhat némi javulást jól behatárolt körülmények között, azonban a körülmények változásával hosszabb távon hátrányt vagy károkat (pl. alacsony fordulatszámon javuló nyomaték túl nagy előgyújtás alkalmazásakor, de magas fordulatszámon jelentkező - üzem közben sokszor nem is hallható - kopogásos égés káros hatásaival). Egy garmada gyári mérnöknél nehéz lesz okosabbnak lenni... Így a gyári beállításoktól eltérni nem célszerű.

© mb-w108