Minden olyan motorban, hajtóműben, ahol az üzemanyag elégetése révén felszabaduló termikus energiát munkavégzésre fogjuk, ugyanazok a fő folyamatok, lépések zajlanak:
- az oxigént biztosító levegő vagy az üzemanyag-levegő keverék bejuttatása az égéstérbe (beszívás)
- a levegő bvagy az üzemanyag-levegő keverék sűrítése, összepréselése, kompressziója (annak érdekében, hogy majd a nagy tágulás miatt sok munkát tudjon végezni)
- az üzemanyag begyújtása (vagy szikrával vagy pedig öngyulladás révén, vagy pedig az égéstérben bent lévő, már égő üzemanyag által)
- az égés során felszabaduló hő miatt felforrósodó és nagy nyomásúvá váló égéstermék kitágulása, expanziója, ennek során a mechanikai munkavégzése (ami a célja minden hőerőgépnek)
- az égéstermék eltávozása az égéstérből (kipufogás)
Igen sokféle elrendezés alakult ki, nézzük csak a legfontosabbakat!
Négyütemű benzinmotor (Otto-motor)
A négyüzemű benzinmotor ideális körfolyamata:
A négyütemű benzinmotor ütemei:
1. ütem \((0\to 1)\) szívás
a dugattyú beszívja a benzin-levegő keveréket (pontosabban a külső légnyomás benyomja a tágulás miatt lecsökkenő nyomású égéstérbe)
2. ütem \((1\to 2)\) összenyomás (kompresszió)
az összenyomás a magas fordulatszám miatt viszonylag hirtelen történik (például percenkénti 3000-es fordulatszámnál egy századmásodperc alatt), így közelítőleg azt mondhatjuk, hogy nincs idő hőcserére a környezettel, vagyis a folyamat adiabatikus. A benzin-levegő keverék nem nyomható össze nagyon nagy nyomásra, mert magától begyulladna, esetleg már a felső holtpont előtt (ez a "kopogás", ami nemcsak azért kerülendő, mert hatékonytalan, hanem mert roppant nagy terhelést jelent az érintett alkatrészek számára, amitől azok hamar tönkre mennek). Úgy szokás eztfogalmazni, hogy a benzin "nem nagyon bírja a kompressziót".
\(2\) a szikragyújtás pillanata
Elektromos szikra gyújtja be az éghető elegyet. Mivel a benzin a levegőben nagyon gyorsan elég, ezért a gyors égési időtartam alatt a dugattyú szinte nem mozdul el, vagyis a \(V\) térfogat állandó az égés során: ez egy függőleges szakaszt jelent a $p\thinspace \unicode{x2013}\thinspace V$ síkon (2-3). Tehát a körfolyamat görbéjén a rendszer nem "egyenletes sebességgel" halad!
3. ütem \((3\to 4)\) munkavégző szakasz (kitágulás)
a forrró égéstermék kitágul; ez hajtja az utókat
\(4\to 1\) szakasz
izokór lehűlés (ez csak a valódi körfolyamat speciális folyamatokkal közelítése miatt van, fizikai jelentése nincs)
4. ütem \((1\to 0)\) kipufogás
a dugattyú kitolja az elhasznált (az energiája jó részét már munkavégzés formájában elveszített) égésterméket
Ezután a folyamat indul előről.
A négyütemű benzinmotor valódi diagramja:
A dízelmotor
A dízelmotor az üzemanyagán túl abban különbözik a 4-ütemű benzinmotortól, hogy itt a beszívás során nem üzemanyag-levegő keverék kerül az égéstérbe, hanem csak levegő, ami a sűrítés (kompresszió) során annyira felforrósodik, hogy a befecskendezett gázolaj már a forróságtól meggyullad (öngyulladás, szikra nélkül; a dízelmotorokban is van gyertya, de az nem szikrát ad, hanem izzítógyertya, ami a téli hidegen előmelegíti az üzemi hőmérsékletre a motort). A gázolaj elégése nem hirtelen, robbanásszerűen zajlik, mint a benziné, hanem lassabban. Ennek előnye, hogy a dugattyú kifelé haladása közben még zajlik a hőtermelés, így bár a tágulástól az égéstermék hőmérsékletének és nyomásának alapvetően csökkennie kellene, viszont az elnyúló hőfelszabadulás egy darabig fenntartja a nagy nyomást, ez látszik a \(p\thinspace \unicode{x2013} \thinspace V\) diagramon a \(2\to 3\) szakaszon. Ennek következtében a munkavégző \(2\to 4\) szakaszok görbe alatti területe végül nagyobb lesz, mint a benzinmotoroknál, vagyis a dízelmotor több munkát végez, jobban hasznosítja az üzemanyagot. A dízelmotor idealizált karakterisztikája:
Itt a 2-es pillanatban történik az üzemanyagbefecskendezés.
A dízelmotor valódihoz közeli karakterisztikája:
A dízelmotorok jobb hatásfoka a benzinmotorokhoz képest amiatt van, mert a kompressziókor nagyon nagy mértékben sűríti össze a levegőt (a beszíváskori térfogathoz képest 12-15-ször kisebb térfogatra), ezért nagyobb úton zajlik a tágulási szakasz, márpedig a munkavégzés nemcsak a tolóerőtől, ahnem az erővel párhuzamos elmozdulástól is függ:
\[W=F\cdot s_{\parallel}\]
Miért nem alkalmaznak akkor ilyen nagy kompressziót a benzinmotoroknál? Mert a benzin-levegő keverék ilyen nagy összenyomás esetén a felforrósodástól öngyulladással berobbanna, már a dugattyú felső holtpontja előtt. A felső holtponton befecskendezett benzin pedig túl gyorsan égne el, úgy, hogy közben nem lenne ideje elmozdulni a dugattyúnak, így az égéstér nyomása nagyon megnőne. A dízelmotorok ezért drágábbak, mert nagyobb nyomáson működnek, ezért erősebb szerkezetűre kell építeni őket.
Sajnos a magasabb termodinamikai hatásfok, kisebb üzemanyagfogyasztás, így kevesebb szén-dioxod-kibocsátás mellett a dízeleknek komoly hátránya, hogy amagda hőmérsékleten a levegő oxigén- és nitrogéntartalma reagál egymással,így nitrogén-oxidok jönnek létre, amik az élővilág számára káros anyagokat jelentenek. tehát az alacsonyabb szén-dioxid-kibocsátás nem az egyetlen komponense a környezetszennyezésnek.
A kétütemű benzinmotor ("Trabant")
A kétütemű benzinmotorban a dugattyú egyetlen fel-le mozgása (vagyis a főtengely egyetlen fordulata, periódusa) alatt lezajlik minden fent tárgyalt lépés:
Figyeljük meg, ahogy a sárga pöttyökkel szimbolizált friss benzin-levegő keverék egy része az égéstérbe bejutáskor mindját "túl is szalad", vagyis a piros pöttyökkel szimbolizált forró égéstermékkel együtt eltávozik a kipufogógázban, anélkül, hogy elégett volna. Ez többlet üzemanyagfogyasztást és többlet környezetterhelést jelent.
A kétütemű benzinmotor előnyei:
- a motor tömegére vonatkoztatott leadott teljesítménye nagy (vagyis a "hány wattot, lóerőt ad le $1\ \mathrm{kg}$‑nyi motor" fajlagos teljesítmény mutatószáma nagy)
- egyszerűbb felépítés (nincs külön motorolaj, hanem a benzinbe kevert olaj végzi a mozgó alkatrészek kenését)
- alacsony meghibásodás; egyszerűbb karbantartás, javítás
Hátrányai:
- az égéstermékkel "kisodródó" benzin-levegő keverék miatt magasabb üzemanyagfogyasztás
- nagyobb környezetszennyezés, mivel a légkörbe kikerül (elégetlenül) az üzemanyag egy része (a benzinben lévő aromás vegyületek miatt kellemesebb, "illatos" is a kipufogógázuk)
- nagyobb környezetszennyezés, mivel a benzinbe kevert kenőolaj miatt több olajat "zabálnak", és az elégve-megégve ki is kerül a környezetbe (a négyütemű motorban a motorolaj zárt térben van, amit olajcserekor leengednek és összegyűjtve legalább elvileg lehetséges kezelni, ártalmatlanítani)
- kisebb forgatónyomaték (emiatt például teherautónak, traktornak nem alkalmas
- nagyobb zajkibocsátás
Mindezek alapján a kétütemű benzinmotor manapság már viszonylag ritka jószág, csak ott használjűk, ahol nagyon fontos, hogy az adott teljesítményt minél kisebb tömegű motor tudja leadni, például kézi láncfűrészekben ("stílfűrész") és versenymotorcsónakokban. Anno kétütemű benzinmotorja volt a szocialista nagyipar büszkeségeinek, a Trabant és Wartburg személyautóknak is, füstöltek is rendesen:
Az égés nélkül távozó üzemanyag problémáját úgy csökkentette a STIHL cég a 2-MIX nevű továbbfejlesztett kétütemű láncfűrészmotorjainál, hogy a beszívás-kipufogás folyamat során egy külön csatornán, a benzin-levegő keverék (az animáción zöld színű) előtt sima levegőt (kék színű) juttat az égéstérbe, ami "kifújja" az égésterméket, így az égéstermékkel együtt nem a benzingőz egy része fog a kipufogóba kisodródni, hanem ez a plusz levegő: