Jelen cikkünkben bemutatjuk azokat az eljárásokat és technikai megoldásokat, amikkel a változtatható kompresszióviszony műszakilag is kivitelezhetővé válik.

Lehetséges elméleti megoldások

A kompresszióviszony geometriai változtatását az égéstér dugattyú-alsóholtponti és –felsőholtponti térfogatarány-változtatásával lehet megvalósítani. Ha a löketet nem szeretnénk változtatni, akkor a dugattyúkorona és a dugattyúcsap közötti távolságot kell változtatni, vagy a hajtórúd hosszát kell állíthatóra kialakítani vagy a teljes hengertömböt kell a főtengelyhez képest emelni/billenteni vagy valamilyen mechanizmussal a löketet más pozícióba kell tenni úgy, hogy a lökethossz nem változik. Természetesen van lehetőség a löket módosítására is.

Az alábbi ábrán vannak összefoglalva a lehetőségek:

A- A hengertömb billentése

B- Hidraulikus emelésű dugattyú

C- Excentrikus csapágyazás

D- Multi-link forgattyús hajtómű

E- Az égéstér holt térfogatának változtatása kiegészítő térrel

F- Áttételezett fogas kapcsolaton alapuló geometria

A holt térfogat változtatása

Az égéstér geometria szempontjából nem előnyös kialakítás, a lángfront terjedése és az égésfolyamat nem ideális. A kiegészítő kamra elhelyezése és geometriai megvalósítása is problémás a mai közvetlen befecskendezésű, hengerenkénti 4 szelepes motoroknál.

A hengertömb billentése

A hengertömb billentése az égéstér kialakítása szempontjából előnyös, hiszen nem jönnek létre nehezen hozzáférhető zugok. A hengertömb nem képez egy egységet a forgattyús házzal, hanem csuklós mechanizmussal kapcsolódik ahhoz az egyik oldalról. A másik oldalon pedig található egy excenteres tengely, mely hajtórudakkal kapcsolódik a hengertömbhöz.

Az excenteres tengely forgatásával a hajtórudakon keresztül a hengertömb és a rácsavarozott hengerfej elbillen a fix csapágyak körül, és az emelés során a dugattyú felső holtpontban egyre távolabb kerül a hengerfejtől, így a felső holtponti égéstér-térfogat megnő. A képlet alapján ez a változás csökkenti a kompresszióarányt, tehát teljes terhelésen így üzemel motor. A hengerblokk süllyesztése pedig növeli a kompresszióviszonyt. A konstrukció gyenge pontja a csapágyazás, melynek feladata az égéstérben kialakult nyomás, vagyis a gázerők megtartása forgattyús ház és a hengertömb összetartásával. A billentés során a hengertömb és a forgattyús ház közötti távolság változik, ezért oda rugalmas tömítés szükséges, ami a motor tömítettségének gyenge pontja.

A Saab készített ilyen motorral szerelt prototípust, de a szériagyártást nem indították el, amikor a GM kezébe került a svéd autógyártó.

Löket pozícionálás francia módra

Nagyon érdekes szerkezetet az MCE-5 VCR-i prototípus, ami egy 1,5 l lökettérfogatú, 4 hengerű Otto-motor 220 LE teljesítménnyel és 420 Nm nyomatékkal, két lépcsős feltöltéssel.

A löket helyzetét minden henger esetében egy dugattyú pozíciójától függ, ami fogaskerekes kapcsolatban van a hajtórúd felső szemével, ami pedig a dugattyúhoz csatlakozik. A dugattyút egyrészt a hengerfal, másrészt egy fogas görgő vezeti meg, így tisztán alternáló mozgást végez

A hajtórúd hosszváltozása

A hajtórúd hosszváltoztatását egy, a hajtórúd kis szemében elhelyezett excenter segítségével történik. Az excenter helyzetét a hajtórúdban elhelyezett két dugattyú pozíciója határozza meg. A dugattyúk olajnyomással vezéreltek, a konstrukció egy mechanikus kapcsolószelepet is igényel a hajtórúd mozgása miatt

Az excenter miatt fellép egy billentő nyomaték a dugattyúra és a mechanizmusnak ellen kell állnia az égéstérben kialakult nyomásnak. A benzines verzió 140 bar égési csúcsnyomással is megbízhatóan üzemel.

A kapcsolószelep elhelyezése nem egyszerű egy olyan alkatrészen, ami nagy sebességgel mozog, és csak csapágyakkal kapcsolódik más alkatrészekhez. A mérnökök két megoldást fejlesztettek ki:

- felső kapcsolószelepes kialakítás: a felső szemnél található a kapcsolófej, ami az alsó holtponti pozícióban képes változtatni a dugattyúk nyomásviszonyait, ezzel pedig az excenter helyzetét, ami a kompresszióviszonyt befolyásolja. A főtengelysonkák felett található állítók két pozíciót vehetnek fel, így tudják átbillenteni a szelepet.

alsó kapcsolószelepes kialakítás: a nagy szemnél található egy szelep, amit alsó holtpontállásban az olajtérben elhelyezett állítólapkákkal lehet az egyik, illetve a másik pozícióba kapcsolni.

A megoldást a FEV-vel közösen a Porsche fejleszti.

Az első szériagyártott változtatható kompresszióviszonyú motor

Az Infinity Q50-ben debütáló sornégyes, 2 liter lökettérfogatú motor sűrítési aránya 8:1 és 14:1 között állítható a különleges Multi-Link forgattyúsműnek köszönhetően. A Nissan VC-Turbo motor egy V6-ost vált le a kínálatban, így a tervezés során ügyeltek rá, hogy nyomaték- és teljesítménygörbéi megfeleljenek az elődmotornak. 200 kW a maximum teljesítménye és 390 Nm nyomaték leadására képes. A mechanizmus első terveit már 1998-ban elkészítették, azóta mintegy 100 motortípust készítettek, melyeken 2 millió tesztkilométert futottak úton, és 30 ezer órát jártak fékpadon. A fejlesztés során 300 szabadalmat védettek le, hogy hosszú ideig ne akadjon kihívója motornak.

A bonyolultabb szerkezet egyik eredménye, hogy 3-szor több csapágy található a motorban, mint egy hasonló hagyományos belső égésű motorban. A több csapág növeli a gyártási költségeket, cserébe viszont nagyon sima a járása és kisebb zajt bocsát ki a motor.

Az állítóval mintegy 6,2 mm-t változtatható a dugattyú felső holtponti pozíciója. Minden hengernél egyszerre történik az állítás, mely kiegészül változtatható szelepvezérléssel, így a motor Atkinson-ciklus szerinti üzemre is képes. Közvetlen- és szívócső-befecskendezés is található rajta, így teljes terhelésen jobb hűtést lehet elérni a tüzelőanyag közvetlenül az égéstérbe juttatásával, a részecske-kibocsátás pedig csökkenthető részterhelésen a szívócső-befecskendezés miatti jobb keveréssel.

A dízelmotorok esetében a kompresszióviszony felső határát az égési csúcsnyomás és csúcshőmérséklet korlátozza, ugyanis az ezek által előidézett mechanikai- és termikus terhelés képes eltörni és/vagy megolvasztani motorikus alkatrészeket. Haszongépjárművekben nem ritka a 200 bar feletti égési csúcsnyomás, személygépjármű dízelmotorokban 180 bar körül van a csúcsnyomás. Az égési csúcshőmérséklet felső határa 2000 K körül van. A benzinmotorokhoz hasonlóan a dízelmotorok termikus hatásfoka is javul a kompresszióviszony növelésével, viszont a motor túlterhelése mellett más tényező is befolyásolja a tervezőcsoport által meghatározott kompresszióviszonyt. Ilyen a NOx-emisszió, melynek koncentrációja a kompresszióviszony és az égési csúcshőmérséklet növekedésével szintén növekszik. Ebben az is segít, hogy a dízelmotorok nem sztöchiometrikus, mennyiségi keverékképzéssel, hanem minőségi keverékképzéssel, légfelesleggel üzemelnek.

NOx emisszió szempontjából nem előnyös a nagy hatásfok: nagy hőmérsékleten, légfelesleg mellett nagy mennyiségű NOx keletkezik. A NOx-kibocsátás csökkentésére jelenleg nagy EGR-rátát alkalmaznak, amihez nagy feltöltőnyomást párosítanak, hogy jusson hely a friss töltetnek (ami kell, hogy a részecskeemisszió ne nőjön meg). A nagy kezdeti nyomások, a nagy kompresszióviszony és a forró kipufogógáz miatt nagy égési csúcsnyomás alakul ki. Erre jelenthet megoldást a VCR, főleg haszongépjárművek dízelmotorjainál.

A teljes terhelésű üzemekben az adott teljesítmény-sűrűséghez társuló csúcsnyomás csökkenthető, miközben a részterhelésű üzemet nem befolyásoljuk. Csökkenthető a belső súrlódás és a motor tömege, valamint a szívó és kipufogórendszer tervezésénél nagyobb szabadságfokot enged a változtatható kompresszióviszony a tervezőknek.

A technológia nagy mennyiségű kipufogógáz-visszavezetést tesz lehetővé, anélkül, hogy a részecske-kibocsátás az egekbe szökne, valamint az égési csúcsnyomás sem száll el.

A haszongépjárművek megbízható működése érdekében nem fokozatmentesen állítható megoldások jönnek szóba, az első teszteket a változtatható hosszúságú hajtórúddal végezték. A FEV fejlesztőcég által kínált megoldás képes ellenállni a dízelekben keletkező nagyobb terhelésnek, így a jövőben meghódíthatja a haszongépjármű-szegmenst is.

A változtatható kompresszióviszony megoldásai a dízelmotorok esetében egy problémába ütköznek: megváltozik a felső holtponti pozíciója a dugattyúnak. A benzinmotorok esetében ez nem gond, mert a keveréket - a gyújtás pillanatát jócskán megelőzve - a szívási és kompresszió ütemben állítjuk elő. A közvetlen befecskendezésű dízelmotorokban (már csak ilyen van) általában a dugattyúban foglal helyet az úgynevezett „omega”-égéstér, melybe a többfuratos befecskendező irányítja a befecskendezési sugarat. Pár fokos eltérés a befecskendezésben megváltoztatja az égési folyamatot és a károsanyag-kibocsátást.

A felső holtpont változtatásával sajnos változik az égéstér és a befecskendező helyzete, így az égésfolyamat is. Mivel általában egy optimumot lehet meghatározni, ezért a változtatható kompresszióviszony kompromisszumkötésre kényszerítheti a mérnököket az égéstér tervezésekor.