Motor tuning
(Sok benzin, sok levegő!)
18e és c20ne szelepek

Mi határozza meg egy motorból nyerhető teljesítmény maximumát (teljesítmény-képességét)?

Ha megkérdezünk egy pár embert, akkor a legtöbben azt fogják mondani, hogy a motor mérete. Végülis a nagyobb motorok nagyobb teljesítményt adnak le, mint a kisebbek.

Hengerenkénti 2 szelepes motorok gyári teljesítményadatai
Motor

Térfogat
(cm3)

Teljesítmény
(BHP)

Nyomaték
(Nm)

Le/liter

Nm/liter

FORD CVH
1597
96
133
60
82
GOLF GTi
1781
112
159
63
89
PEUGEOT 205 GTi
1905
130
165
68
86
PEUGEOT 205 GTi
1580
115
134
73
85
ROVER V8
3532
155
268
44
76
PORSCHE 911
3164
231
285
73
89
Általában
63
85

Hengerenkénti 4 szepeles motorok gyári teljesítményadatai
Motor

Térfogat
(cm3)

Teljesítmény
(BHP)

Nyomaték
(Nm)

Le/liter

Nm/liter

ROVER K SERIES
1796
118
165
66
92
GOLF GTi
1781
139
168
78
94
PEUGEOT M16
1905
160
180
84
95
HONDA VTEC
1797
167
165
93
92
CITREON XSARA
1998
167
196
84
99
BMW M3 SMG
3201
321
350
100
110
Álatlában
84
98

Az adatok bhp-ben, vagyis féklóerőben vannak megadva. további infó itt

Ha megnézzük a fenti táblázatot láthatjuk, hogy a teljesítmény per liter adatokban nincs számottevő különbség.

Ahhoz, hogy megválaszolhassuk a kérdést, elsőként meg kell értenünk, hogy a motorok hogyan állítják elő a teljesítményt. A teljesítményt az üzemanyag biztosítja, tehát minél több üzemanyagot tudunk elégetni egy perc alatt, annál nagyobb lesz motorunk teljesítménye. Ahhoz, hogy üzemanyagot (vagy bármi mást) égessünk el, oxigénre van szükségünk. Ezt a legtöbb belsőégésű motor esetében a levegőből nyerjük. A belsőégésű motorban a benzin hatékony elégetéséhez azt a saját súlyának 14 szeresét kitevő levegővel kell elkevernünk. Vagyis 14:1 arányú keveréket kell létrehoznunk. A legnagyobb teljesítmény eléréséhez 12.6:1, gazdaságos használathoz 15:1 kell. Egy liter benzin tömege közelítőleg 0,730 kg, egy liter levegőé pedig 0,0012 kg. Tehát 1 liter benzin (egy literes tejesdoboznyi) hatékony elégetéséhez 8516,666 liter levegő kell. Ez megfelel egy kb. 2,04m x 2,04m x 2,04m-es kockának, vagyis egy kisebb lakótelepi fürdőszobának.

Jól látható tehát, hogy a teljesítményleadás képességének problémája egyetlen dolog, vagyis hogy mennyi levegőt tudunk egy perc alatt a motorba juttatni. Az üzemanyag nem probléma, abból annyit tudunk bejuttatni, amennit csak akarunk, egyszerűen átfúvókázzuk a karbijainkat, vagy átprogramozzuk a befecskendezők nyitási idejét. Akkor vajon mi korlátozza a motor légfeldolgozó képességét? Nos, az elsődleges akadály a hengerfej áramlási kapacitása. Még egy kis méretű motor is rengeteg levegőt képes beszívni ha elég gyorsan forog, de ha a hengerfej nem képes elegendőt átengedni, akkor a hengerek nem fognak megtelni. A hengerfej áteresztő képességét a szelepek mérete és száma határozza meg, mert ezek korlátozzák a legjobban az áramlást. Ezen belül is a szívószelepek jelentik a kritikus keresztmetszetet, mert a rajtuk átáramló gáz nyomása mindössze az atmoszférikus nyomás, a kipufogó szelepek estében pedig a dugattyú egy pumpaként hatva, ennél nagyobb nyomással préseli ki rajtuk az égésterméket. Mindezek figyelembevételével kijelenthetjük, hogy a legjelentősebb tényező, amely meghatározza egy motor legnagyobb teljesítményleadási képességét, a szívószelepek összeadódó felülete.

Nos, van itt bármi szerepe a motor méretének? A helyes válasz, hogy igen, mert minél nagyobbra építünk egy motort, annál nagyobb szívószelepeket építhetünk bele. De nem önmagában a motor mérete biztosítja a teljesítményt. Vannak más módok is, hogy növeljük a beömlő keresztmetszetet, vagyis a szelepterületet. Beépíthetünk pl. 4 szelepet a 2 helyett, így jobban kihasználva a henger kör keresztmetszetét, kisebb rést hagyva a szelepek között. Megépíthetjük a motort azonos térfogattal, de több hengerrel, így növelve a szelepterületet. És végezetül megnövelhetjük a henger átmérőjét, és csökkenthetjök a lökethosszat, amivel szintén azonos térfogatú motort építünk, de a nagyobb átmérőjű hengerek nagyobb /több szelep beépítését teszik lehetővé. Természetesen vannak korlátok, hogy ezekkel a dolgokkal meddig mehetünk el. Azok a motorok, amik 4 hengernél többel bírnak, erősen megnehezítik a vezérműtengelyek tervezését. Minél több a henger, annál nehezebb a blokk, és annál több a súrlódási veszteség. Ha túl nagy a henger átmérője, a dugattyú nagyon keveset mozog le/fel, a szelepeknek nincs helyük kinyitni, az égéstér alakja messze kerül az ideális kis mérettől, nagy és lapos lesz, ami nem égeti el a keveréket kellő hatékonysággal.

Akárhogyis, ez mind kompromisszum kérdése. Az utcai motorok kisebb hengerátmérővel és nagyobb lökethosszal készülnek. A versenymotorok nagyobb hengerátmérővel, kisebb lökethosszal és több szeleppel. De minden esetben a teljes szívószelep keresztmetszet ami meghatározza a motorban rejlő teljesítmény képességeket. Minél kisebb egy motor, annál gyorsabban kell forognia, hogy feldolgozhassa ugyan azt a légmennyiséget, mint egy nagyobb motor alacsonyabb fordulatszámon. A motor térfogata nem jelent igazán nagy különbséget.

Nem minden hengerfej kialakítás biztosítja ugyan azt az átáramlási hatékonyságot, függetlenül attól, hogy a szelepméretük azonos -és ez az a valódi áteresztőképesség ami alapvetően befolyásolja a motor teljesítmény lehetőségeit- viszont a szelepméret jól mérhető, és nagyon jó kiindulási alap a további elemzésekhez. Nincs értelme nagyobb szelepeket beépíteni, ha a hengerfej szívóoldali alakja, vagy egyéb dolgok nem teszik lehetővé a nagyobb mennyiségű levegő átáramlását.

A hengerenkénti két szelepes motorok hengerfejét két kategóriára oszthatjuk:

Párhuzamos szelepű motorok
Az ilyen típusú motorokban a szívó és kipuff szelepek szárai párhuzamosak egymással, és általában (de nem mindig) a henger tengelyvonalával. Az opel OHC motorjai ilyenek. A teljes szelep átmérőt alapvetően meghatározza a hengerfurat átmérője, mivel a szelepekek nyitása ezen belül kell hogy megtörténjen. Nyilvánvalóan kell hogy legyen egy kis hely a szelepek között, illetve a szelepek és a hengerfal között, hogy ne ütközzenek egymásnak. Ezek a távolságok általában 3-4mm, ezt nagyobb szelepek beépítésekor lecsökkenthejük 1,5mm-re. Tehát legjobb esetben 3,5-4,5mm-el kisebb a teljes szelepterületünk, mint a hengerfurat átmérője. Ezt két részre osztva általában 55-57% a szívószelep és 43-45% a kipuffogó szelep átmérője. Vagyis a legjobb teljesítmény eléréséhez a kipuff szelep átmérője kb. 80%-a a szívószelepnek, talán néha egy kicsit kisebb. Az égéstér kialakítása lehet "fűrdőkád" alakú (pl. 18e, c20ne), ahol az égéstér nagyrészben a hengerfejben van kialakítva, vagy Hérón típusú, ahol a hengerfej lapos, és az égéstér a dugattyú teteje és a hengerfej közötti rész. Függetlenül a kialakítástól, mindig lesz egy bizonyos áramlási veszteség a szelepek egymáshoz viszonyított helyzetéből és a hengerfalhoz, vagy az égéstérhez való közelségükből adódó árnyékolás miatt. Egyszerűbben mondva, nincs elég hely a szelepek körül, ezért valami mindig akadályozza a légáramlást a szelepfejtől a hengerekbe. Minél nagyobbak a szelepek, és minél közelebb vannak egy melletük lévő falhoz, annál nagyobb a takarási hatás, vagyis egyre többet vesztünk az átáramlási tényezőből. Néha egy kisebb szelep nagyobb áramlást biztosít, mint egy nagyobb, ha a kellő távolság nincs biztosítva. Az árnyékhatás kb. 10%-al csökkentheti az áteresztést, az árnyékolás nélküli áteresztéshez képest. Mindezen hátrányok ellenére néhány modern SOHC hengerfej méltó ellenfele lehet a ferde szelepűeknek.

Ferde szelepű motorok
Az ilyen típusú motorokban a szelepek szöget zárnak be egymáshoz és a hengerfurathoz képest. Ennek két előnye van. Mivel ezek a szelepek elfelé nyitnak a hengerfaltól, a hengerfurat tengelyvonala felé, nagyon kicsi, vagy semmi árnyákhatás nincs. Nagyobb szelepeket építhetünk be, mint a párhuzamos szelepű hengerfejekbe. A szelepek méretét egészen addig növelhetjük, amíg egymásba nem érnének. Hátránya, hogy az égéstérnek félgömb szerűnek kell lennie, hogy a szelepek elférjenek és ez a forma nem kedvez az égésnek.

Hengerenként 4 szelepes motorok

A 4 szelepnek és a szelepvezetőknek egy hengerbe történő építésének korlátai azt eredményezik, hogy ezek a konstrukciók nagyban hasonlítanak egymáshoz, és ebből adódóan az áramlási tényezőjük is nagyon hasonló. A szívószelepek szöget zárnak be a kupuff szelepekkel, a gyújtógyertya pedig az égéstér közepén helyezkedik el a szelepek között. Általában két vezérműtengely vezérli a szelepeket. Általában nagyon kicsi, vagy nincs árnyákhatás a szelepek körül, és elmondhatjuk, hogy ezek megfelelnek a 2 ferde szelepes motorok többszelepes változatának.
Mégis van egy nagy különbség a 4 és a 2 szelepes motorok között az áramlási és a teljesítmény tényezők között, azonos szelepterület esetén. Ez azért van, mert a teljes szelepterület nem egyenlő a teljes szelepkerülettel. Ahhoz hogy ezt jobban megértsük, nézzünk egy példát:
Hasonlítsunk össze két azonos szelepterületű motort, az egyikben 2 kicsi szívószeleppel, amiknek az átmérője 25mm, a másikban egy nagy szeleppel, aminek az átmérője 35.36mm. Mindkettő szelepterülete 982 mm2. Amikor a szelepek teljesen nyitva vannak, az áteresztő képessége mindkét motornak azonos. Viszont a teljes szelepkerület nagyon eltér. A két kicsi szelep 157mm teljes szelepkerülettel rendelkezik, az egyetlen nagy pedig csak 111-el. Az arány 1.41:1, vagyis négyzetgyök 2. Ez kis szelepnyitásnál nagy hatással van az áteresztésre. Ha mindhárom szelepet azonosan kicsi mértékben nyitjuk ki, mondjuk 1mm-re, akkor a két kis szelep együttesen 41%-al nagyobb átömlést biztosít. Amikor a szelepek teljesen kinyitnak, természetesen ez a különbség megszűnik. Ez a megnövekedett kisnyitású áramlás előnyt ad a két kis szelepnek az egy nagy szelephez képest, hiába azonos a keresztmetszetük. A hatás természetesen függ a vezérműtengely profiljától, de 10-15% közötti plusz teljesítményt jelenthet.

Egyéb tényezők:

A port (a hengerfej szívó ill. kipuff oldalától a szelepekig vezető csatornák) szöge:
Ha a csatorna nagy része 90 fokot zár be a szelepszárral, akkor a légáram egy gyors hajlással veszi körbe azt amikor belép a szeleptorokba, és ez jelentősen csökkentheti az áramlási képességeket. Minél jobban együtt lejt a csatorna a szelepszárral, annál jobb a csatorna hatékonysága. A párhuzamos szelepű motorok általában a függőleges szelepekhez vízszintes irányból induló portokon keresztül juttatják a keveréket, így nem csak az árnyékhatás csökkenti a teljesítényüket, hanem ez a hatás is. A ferde szelepes motorok általában jó csatornakialakítással is rendelkeznek.

Égéstér alakja:
Ahhoz, hogy az égés hatékony és gyors legyen, az égéstérnek kicsinek kell lennie. Az ideális, ha ez a tér félig a hengerfejben és félig a dugattyúban lévő "zsebben" van kialakítva, és a gyertya ennek a közepén van. A ferdeszelepes motorok általában gyengébb égéstérrel rendelkeznek mint a párhuzamos szelepűek, köszönhetően a jobb áramlási tényezőjüknek. A nagy hengerátmérőjű motorok gyengén égő nagy és lapos égéstereit ellensúlyozza a megnövekedett szelepterület.

Vezérműtengely profil:
Ahhoz, hogy bármennyi keverék átáramolhasson egy szelepen, annak nyitva kell lennie. Sok különböző megoldás létezik erre, pl. a szelepek felett elhelyezett vezérműtengely, ami himbákon keresztül nyomkodja (emelgeti) a szelepeket. De van egy konkrét tényező, ami nagyban befolyásolja a vezérműtengely profil tervezést. Ez pedig a bütykök átmérője, ami negyon befolyásolja, hogy milyen gyorsan tudunk kinyitni egy szelepet és milyen mértékben. Minél gyorsabban és minél jobban ki tudunk nyitni egy szelepet, annál ereményesebben lehet rajta keresztül megtölteni a hengert keverékkel, és annál nagyobb lesz a motor teljesítménye. Egy 16 szeleps 1.8-as Ford motor és egy 1.8-as Golf motor között a különbség, hogy a ford 28mm-es bütykökkel rendelkezik, a VW 35mm-esekkel. A VW lehetővé teszi a sokkal szélsőségesebb vezérműtengely alkalmazását, ezáltala szelepemelő görbével megnövelhető az átáramló keresztmetszet, vagyis az elérhető teljesítmény.

Lehetséges csúcsteljesítmény kiszámítása

Mindezeket a tényezőket figyelembe véve kiszámíthatjuk, hogy mennyi egy adott motorban lévő teljesítmény lehetőség. Mindössze annyit kell tennünk, hogy a megfelelő képletek segítségével a szelepterületet teljesítménnyé alakítjuk. Ehhez feltételezzük, hogy motorunk egyéb tulajdonságait (üzemanyagellátó rendszer, kipuffogó rendszer, kompresszió viszony, stb.) úgy módosítottuk, hogy azok már ne csökkentsenek az elérhető legnagyobb teljesítményen. Tehát amit most ki fogunk számítani, az egy teljesen versenycélra átalakított, kiválóan portolt hengerfejjel, tökéletes üzemanyag ellátó és kipuffogó rendszerrel ellátott autó lehetséges csúcsteljesítménye. Ez a módszer alapvetően az eredetileg utcai használatra szánt autókhoz lett kidolgozva, de megnézzük majd egy teljesen versenycélra épített motor, pl. egy F-1-es adatait is.

Első lépés- a szelepterület kiszámítása

Amire itt szükségünk van, az az összes szívószelep teljes területe, négyzetmilliméterben. Remélem, aki most ezt az írást olvassa, tudja, hogyan kell mindezt kiszámítani. Ha mégsem, akkor íme itt egy módszer:
Teljes szelepterület=szívószelep átmérője a négyzeten, szorozva Pi-vel, és osztva néggyel ( A=d2 x Pi / 4) és szorozva a szívószelepek számával.
Egy teljesen átépített motor esetében természetesen nem a gyári szelepméretekkel kell számolnunk, hanem a lehetséges legnagyobb szelepével. Általában elmondható, hogy ez a gyári méretnél kb. 7%-al nagyobb átmérőjű.

Második lépés- korrekciók

Amint azt fentebb már láthattuk, a különböző hengerfej kialakítások nagyban befolyásolják egy motor teljesítményét azonos szelepterülethez képest. Az alap korrekció, hogy "súlyozzuk" a szelepterületet ezeknek megfelelően:

2 szelep per henger, párhuzamos szelepek: -10%
2 szelep per henger, ferde szelepek: nincs változás
4 szelep per henger, +10%
Egyedi tervesésű, pénz nem számít típusú, 4 szelepes motorok: +25%

Ezzel a meglehetősen dúrva közelítéssel kapunk egy kiindulási pontot az elérhető csúcsteljesítményről. Nem vettük figyelembe a motor méretét, a vezérműtengely kialakításának hatását, sem a szelepemelők kialakítását. Mindenesetre oda kell fogyelni, ha látjuk egy motorban a tervezési hibát, ami alapvetően megakadályozza egy bizonyos teljesítmény túllépését, pl. ha a szelepemelés magassága nem megfelelő. Viszont néhány párhuzamos szelepű motor, a megfelelő kialakítással elérheti a ferde szelepű motorok teljesítményét.
Ha elegendő fejlesztői munkát fektetünk bele a port kialakításba és a vezérműtengely profil tervezésébe, az itt kapott "csúcsteljesítményt" túlszárnyalhatjuk. Az USA-ban a Chevi V8-as motort évek óta fejlesztik a szakemberek és a lelkes tunerek százai, ezer és ezer munkaórát rászánva, ám régi típusú nyomórudas vezérlése miatt néhány mai OHC 4 szelepes könnyedén megközelíti teljesítményét.

Harmadik lépés- Lendkerék teljesítmény meghatározása

A második lépésben korrigált szelepterületet osszuk el 30-al. Az így megkapott szám a lendkeréken mérhető teljesítmény lesz, teljes versenymotor kialakításnál. Vagyis nagy kompresszió, versenykarbik/hengerenkénti pillangós befecskendezők, kiváló kipuff rendszer, nagyfokolású verseny vezérműtengely és teljesen portolt, áramlástanilag fejlesztett hengerfej.
Utcai tuning esetében ennek az értéknek a 75%-át, rally vagy egyéb széria közeli versenyautók esetében ennek 85-90%-át vehetjük egy jó teljesítmény célkitűzésnek.

A motor mérete még mindig nem szerepelt a számításokban. Bár hatással van az elérhető teljesítményre, nem olyan mértékben, mint azt az emberek általában gondolják.

Jöjjön most néhány példa:

1., A tiszeletreméltó Ford Pinto motorját már nagyon sokan tuningolták, ezért a benne rejlő lehetőségek elmondhatjuk, hogy jól ismertek. Egy igazán jó darab simán eléri a 200 lovat, de David Vizard kiváló könyvében ismertet egy motort, ami 212 bhp-t ért el, sok évi fejlesztőmunkával. Nézzük a mi képletünk mit mond erről a motorrol:

A gyári szelep 42mm átmérőjű, de a normál tuning nagyszelepek 44,5mm átmérőjűek. A motor SOHC kialakítású, ferde szelepelrendezéssel, tehát a korrekció nem szükséges.
A szelepterület 44,5 x 44,5 x 3.1416/4 = 1,555.3 mm2 szelepenként x 4 henger=6,221 mm2
Teljesítmény képessége=6,221 / 30=207 bhp. Nos, nincs is olyan messze az igazságtól.

2., Csináljunk egy kis összehasonlítást két különböző típusú motorral, a 3.5/3.9 literes Rover V8-al, és az 1905 cm3-es Peugeot 405 M16-al. Első blikkre azt gondolnánk, hogy itt nincs verseny. A Rover kétszer annyi hengerrel bír és kétszer akkora a motor térfogata is. De számít ez valamit?

A Rover V8 8 hengeres és 40mm-es a szívószelepe, a teljes szelepterülete: 10,053 mm2. Mivel hengerenkénti 2 párhuzamos szelepes kialakítású, ezért igazítsuk ki ezt az adatot -10%-al, vagyis 9,048mm2, a cél teljesítmény tehát 302 bhp.

A Peugeot hengerenkénti 4 szelepes, 34,6mm-es szelepekkel, a teljes szelepterület 7,522 mm2. Ehhez hozzá kell adjunk 10%-ot a 4 szelepes kialakítás miatt, így 8274 mm2-t kapunk, aminek a célteljesítménye 276 bhp. Ez inkább kevesebb, mint ahogy egyébként gondoltam. Természetesen az 1.9 literes 4 hengeres motornak elég gyorsan kell forognia, hogy biztosítsa ezt a teljesítményt.

3., És végül egy kis móka... Vajon ki tudjátok -e találni, hogy milyen motor ez: 3 literes, alumínium V10-es, 4 szelep hengerenként, 35mm-es szelepekkel. Nyugodtan mondhatjuk, hogy itt a pénz nem akadály...

A teljes szelepterület 19,242 mm2, és a fenti szabályok szerint ezt meg kell növelnünk 25%-al, így 24,053mm2. A célteljesítmény itt 24,053 / 30 = 802 bhp. Vorsprung durch technik, ahogy a németek mondják, mielőtt becsúsznak a gumifalba és eltörik mindkét lábukat.

 

Konklúzió

Senki ne gondolja, hogy pár ilyen egyszerű számítással pontosan meghatározhatjuk egy motorból kivehető teljesítmény mértékét. Ezek mindössze egy alapvető dolgot mutatnak meg nekünk, mégpedig hogy mennyire fontos egy motor teljesítményében a szelepterület és a hengerfej kialakítása, és mennyire nem a mérete, vagy a hengerek száma. Az elérhető teljesítmény tehát inkább múlik a hengerfejet átalakító ember ügyességén, képzettségén, és ebből már gondolom érthető, hogy néhány motor miért nem fogja soha elérni a teljesítőképessége határait. Egy jól kialakított és egy gyenge kialakítású hengerfej teljesítményében 20% különbség is lehet.

És akkor most ascona...

c20ne szívószelep átmérője 41,8mm, ebből a motor teljes szelepterülete 5488,95 mm2. Mivel 2 szelepes, párhuzamos szelepelésű motor, ezért korrigáljuk ezt az értéket -10%-al, tehát a teljes szelepterület: 4940,15 mm2. Ebből a főtengelyi teljesítmény: 164,76 bhp.
Vegyük figyelembe, hogy ezeknek a teljesítményeknek az eléréséhez dupla karbikra, vagy hengerenkénti pillangós injektoros rendszerre van szükség, 4-1-es leömlőre, méretezett kipuffrendszerrel, bővített, portolt hengerfejjel. Ennek tükrében mindenki elgondolhatja, hogy milyen tuningba is fogjon bele. Utcai tuning esetén ennek 75%-át véve 123,5 bhp. Versenycélú átalakítás esetén 90%-nál 148,2 bhp.

Bírtokomban van, egy azóta már (sajnos) megszűnt német weblap, ahol egy c20ne motort építenek át, 20SEH dugattyúkkal és 0,75mm-t levéve a hengerfejből 10,5:1 kompresszió viszonyt előállítva, a szívóoldalt pedig 33-ról 38mm-re bővítve 146,3 PS, azaz 143,3 bhp-s mért csúcsteljesítménnyel, bár ők nem tesznek említést a vezérműtengely milyenségéről. A fényképek alapján a befecskendezés is a gyári, bár felbővített szívósorral, gondolom a vezérlő is gyári bosch lehet. A kipuff lexmaul 4-1 rendszer hátsó dobbal.

Kapcsolatba léphetsz velünk a forum és az e-mail menüpontok segítségével.

(Mivel honlapunk még csak most készül, senki se lepődjön meg, ha olyan képeket talál rajta, amit nem mi készítettünk. Ezek csak illusztrációk, és az első adandó alkalommal le lesznek cserélve!)