Szerző: Nagyszokolyai Iván

A belső égésű szikragyújtású motor a tőle elvárható jó hatásfokát csak a felső terhelési tartományában éri el. Az alsó részterhelési tartományban meredeken esik a hatásfok. Így tehát járműhajtásra az lenne ideális, ha a motor mindig nagy terhelési tartományban működhetne. Ez nem lehetséges, mert a járműhajtás – menetellenállásának legyőzéséhez – széles határok között igényel teljesítményt, tehát az adott lökettérfogatú, többhengerű motortól hol kisebb, hol nagyobb terhelésű üzemet kér, azaz kisebb vagy nagyobb gázpedál benyomással üzemel a motor. Az lenne jó, ha kis terhelésen egy kis lökettérfogatú motor, jól megterhelve szolgáltatná a teljesítményt, majd ha növelni kell a teljesítményt, akkor egy nagyobb motor váltaná fel az előzőt, és így tovább…

És ez mégsem lehetetlen!

Ha a többhengerű motor esetében, a leadandó teljesítménytől függően, több vagy kevesebb henger jár melegüzemben, majdnem megvalósult a fenti ideális eset: hol kisebb, hol nagyobb motor hajtja az autót. És így a motor mindig nagy terheléssel üzemelhet.

Azok a hengerek, amelyekben nincsen égés, ún. vonszolt üzemben járnak, a többi hengernek kell körbeforgatnia.

Ha ezeknek a hengerek a szelepei zárva maradnak, akkor igaz, hogy kompresszió ütemen való áthajtás a melegüzemben dolgozó hengerektől jelentős munkát vesz el, utána azonban „légrugóként” – kis veszteséggel ugyan –, de visszanyerjük a befektetett munkát. Közben a henger sem hűl le nagyon, így amikor ismét be kell szállniuk a „brigádmunkába” azonnal teljes értékű munkavégzésre lesznek képesek.

Lehet 4, lehet 2

A VW konszern a világon először szériában gyárt olyan négyhengerű benzinmotort (1,4 literes TSI), mely 4, valamint 2 henger melegüzemének lekapcsolásával, 2 hengerrel is tud üzemelni. A technika német megnevezése Zylinderabschaltung, rövidítése ZAS. A közvetlen befecskendezésű, turbótöltött motor 103 kW max teljesítményű, forgatónyomaték maximuma 1500 – 4000 min^-1 között állandó 250 Nm. Kipufogógáz szennyezőanyag kibocsátása megfelel az Euro 6 előírásnak.

Európai menetciklusban mérve 0,4 liter/100 km fogyasztáscsökkenés érhető el, ez legalább 8 g/km CO₂ csökkenést is eredményez. Vezetési technikától függően (ECO stílus) a legnagyobb fogyasztáscsökkenést moderált tempójú haladásnál érjük el. Ha a sebesség kb. 50 km/h III. vagy IV. fokozatban, akkor a fogyasztás csökkenése kb. 1 liter/100 km, ha 70 km/h-val haladunk, kb. 0,7 liter.

Az M-n terhelési jellegmezőben az ún. fogyasztási kagylógörbék mutatják merre, mennyi és hol kedvezőbb a motor effektív fajlagos tüzelőanyagfogyasztása, mely egzakt összefüggésben van az effektív hatásfokkal. Az 1. ábra diagramja az 1,4 TSI motor esetében mutatja, hogy terhelésnöveléssel, egy adott metszékben, üzemben előforduló fordulatszámon, akár 16%-os hatásfokjavulás is elérhető

Ha kétségeink lennének a kéthengerű üzem kiegyensúlyozatlanságát, járásegyenlőtlenségét illetően, a gyáriak megnyugtatnak, hogy ebből mit sem érez az autóban ülő.

A hengerlekapcsolásra 1400 min^-1 és 4000 min^-1 fordulatszámok és 25 és 75 Nm nyomatékigény között kerülhet sor. Az európai menetciklus 70%-ban csak két hengerrel üzemel a motor!

A motor 2. és 3. hengerének szelepeit zárják le. Ezeket a hengereket a működő – immár nagyobb terheléssel (tehát nagyobb hatásfokkal) járó hengerek vonszolják.

A bütyökváltó mechanizmus

A szelepeket hagyományosan bütyök nyitja, rugó zárja. Ha nem akarjuk, hogy a szelep kinyíljon, akkor el kell távolítani a bütyköt. Ezt értsük szóról-szóra, tehát toljuk el, távolítsuk a bütyköt a szelepemelő fölül, hogy az ne érintse az emelőt. Ekkor a görgős szelephimba egy körgyűrűn fut (Nullhubnocke), így a szelep zárva marad.

Ezt az ún. bütyökváltó technikát az Auditól már ismerjük, neve Audi Valvelift System! Erről az Autótechnika 2007/3. számában részletesen írtunk. Ott két bütyök van egymás mellett, hol az egyikkel, hol a másikkal emeljük a szelepet. Ez a két fokozatban változtatható szelepemelési technika.  

A bütyköt és a körgyűrűt egymás mellett, a vezértengelyre húzott, hosszbordás hüvelyen találjuk. A hüvelyt akkor tolják át, amikor a szelepemelő-görgő a bütyök alapkörén jár. A 2. és a 3. ábrák világítanak rá a működés mechanizmusára. A váltás, fordulatszámtól függően, 13 – 36 ms-t vesz igénybe, egy bütyköstengely körülfordulás alatt megy végbe. A hüvelyt golyós biztosítás tartja a kívánt pozícióban.

A hengerfejen, a 2. és a 3. hengerhez tartozóan, négy elektromágneses beavatkozót találunk. Egy henger két szívószelepéhez egy, két kipufogószelepéhez is egy tartozik. A gyári hengerfejmetszeten – lásd a 4. képet – ezt azonosíthatjuk. A szerkezet mindösszesen 3 kg-mal növeli meg a hengerfej tömegét.

A sima váltást az előgyújtás és a motorterhelés módosításával is segítik. A váltási igényről a motorECU-t a gázpedáljeladó tájékoztatja.

Audi COD-technika

Az Audi is már három motorjánál – 1.4 TFSI COD, 4.0 TFSI COD és W12 COD – alkalmazza a hengerlekapcsolást, mert az akár húsz százalékkal kisebb tüzelőanyag-fogyasztás a CO₂ kibocsátás csökkentés miatt szinte már korparancs. A COD technikával az Audi RS 6 Avant 412 kW (560 LE) mindössze 9,8 liter/100 km átlagfogyasztású.

Az Audi a műszaki megoldásnak a COD nevet adta, mely a „cylinder-on-demand” rövidítése. Kissé kibővítve a szómagyarázatot: a kifejezés a mindenkor szükséges – kívánságnak megfelelő - aktív hengerszámot jelöli.

Az Audi COD-technikája alkalmazható a négyhengerű, közvetlen befecskendezésű erőforrásoknál és a V8-as TFSI és a 12 hengerű szívómotornál is. E rendszer mindegyik motorban a felső sebességi fokozatokban kis, illetve közepes fordulatszám és motorterhelés mellett önműködően lekapcsolja a hengerek felét egészen addig, amíg a vezető újból intenzív gázt nem ad. A „megmaradó” aktív hengerek nagyobb terheléssel dolgoznak, ennek eredményeképpen megnő az effektív hatásfokuk.

A működő hengerek számában bekövetkező minden változás olyan lágyan zajlik, hogy szinte alig érzékelhető. A nyolchengerű motorral szerelt modellekben aktív motortartó ágyazások egyenlítik ki messzemenőkig a nem kívánt rezgéseket, az Audi Noise Cancellation (ANC) technikája pedig (ez külön is megér egy szakcikket!) célzott „ellenhangok” keltésével mérsékli a kellemetlen frekvenciákat a lekapcsolási fázisban. E két megoldás modelltől függően önállóan, vagy együttesen fejtheti ki hatását.

Az 1.4 TFSI COD motor esetében a rendszer – mint láttuk előbb – a kettes és a hármas, míg a 4.0 TFSI erőforrásban a kettes, hármas, ötös és nyolcas hengerre hat (5. ábra). A lekapcsolt hengerekben a gyújtás és a befecskendezés egyaránt szünetel.

A szelepműködtetést illetően két megoldást is alkalmaznak. Az egyiknél a bütykös hüvelyt a vezérműtengelyeken elektromágneses mozgatású csapok segítségével tolják el úgy, hogy lekapcsolásnál a görgős szelepemelő „nullkörön” fut, tehát nincs szelepemelés. Mind a szívó, mind a kipufogószelepeket a lekapcsolt hengernél nulla emelésre állítják.

W12-es motorban (368 kW) a COD-technika speciális változata működik, amely mindvégig nyitott állapotban tartja a szelepeket (miközben nincs befecskendezés és gyújtás). A rendszer először a bal oldali hengersor összes tagjában szünetelteti a befecskendezést és a gyújtást, a motor így hathengeresként üzemel tovább. Mielőtt azonban a bal katalizátor hőmérséklete túlságosan lecsökkenne, ismét újraindul a bal hengersor, és ekkor a jobb oldali hengerek állnak le. Egy-egy hosszabb lekapcsolási periódus során így az egyes hengersorok váltakozva kerülnek működő, illetve inaktív állapotba.

A COD-technika alkalmazásával jelentősen csökkenthető a tüzelőanyag-fogyasztás. Az Audi RS 6 Avant és RS 7 Sportback esetében a NEFZ-cikluson mérhető megtakarítás mintegy öt százalékra adódik, a tekintélyes, 412 kW (560 LE) teljesítményű 4.0 TFSI COD aggregát így átlagosan mindössze 9,8 liter benzinnel is megelégszik 100 kilométerenként. A 103 kW-os 1.4 TFSI COD motor az Audi A3 típusban 4,7 literes átlagfogyasztást produkált 100 kilométerenként, vagyis a NEFZ-cikluson 0,4 l/100 km fogyasztáscsökkenést sikerült a hengerlekapcsolással elérni. Visszafogott vezetési stílus mellett e megtakarítás akár húsz százalékra is növelhető.

Együtt, és mégis külön

Az IAV berlini központú, nemzetközi gépjármű kutató-fejlesztő intézet mérnökei a hengerlekapcsolás új típusát fejlesztették ki, ugyanis nemcsak a motor egyes hengereinek melegüzemét szüntetik meg, hanem a lekapcsolt hengerek mozgását is. Talán jobban leírható a találmány, ha azt mondjuk, hogy két kéthengerű motor tengelykapcsolóval történő összekapcsolásával alakul ki az I2+2 névre keresztelt 4 hengerű motor.

Az egyenként 0,8 l lökettérfogatú 2 hengerű motorok szétkapcsolásával a súrlódási nyomaték 22%-kal csökkenthető a tesztciklus szempontjából fontos fordulatszám-tartományokon. Az NEDC cikluson ez 13,7%-os fogyasztáscsökkenést jelent, ami 19 g/km CO₂-kibocsátáscsökkenéssel egyenértékű.

A két motor egy segédtengellyel és 2 fogaskerékpárral csatlakozik egymáshoz (6. ábra). A segédtengelyen található a tengelykapcsoló. Mindkét üzemállapotban ez a tengely gondoskodik a tömegkiegyenlítésről.

Ez azért is előnyös, mert lekapcsoláskor még több forgó tömegtől és súrlódó felülettől mentesül a hajtáslánc. A tengelykapcsoló egy soklamellás súrlódó erőzáró kapcsolatot és határozott, alakzáró kapcsolatot tart fenn egyszerre. A hidraulikával működtetett súrlódó tárcsák felelnek összekapcsoláskor a két oldal szinkronizálásáért. A kapcsolás időtartamát 0,35 másodpercre tervezik 2000 min^-1 motorfordulaton.

A mérések során egy hagyományos négyhengerű motor súrlódási viszonyaival hasonlították össze az I2+2 rendszert. Ha mind a 4 henger működik, akkor a súrlódási középnyomása nagyobb, mint a referencia négyhengerű motoré. Ez természetes, mert a segédtengely és a fogaskerekek növelik a hajtás súrlódását. Két henger lekapcsolása után viszont a veszteségek nagyobb mértékben csökkennek a hagyományos módon lekapcsolt kéthengerűhöz képest. A fogyasztás további csökkenése erre vezethető vissza.

Már biztosan tudjuk, hogy a széndioxid-kibocsátásra vonatkozó előírásokat az előttünk álló években a jogalkotók tovább szigorítják, így a négy, vagy annál nagyobb hengerszámú belső égésű motoroknál a gyártók széles körben valószínű, hogy élni fognak a hengerlekapcsolás technikájával.

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika folyóirat főszerkesztője

(További technikai részletek az Autótechnika folyóiratban, illetve a http://autotechnika.hu oldalon olvashatóak.)