Lehet egy motor egyszerre dízel és benzines?

2019.09.14. 07:20 Módosítva: 2019.09.14. 08:08

A rövid válasz: nem. A bővebb válasz: igen, amennyiben ezalatt azt értjük, hogy ugyanaz a motor képes Diesel-körfolyamat (azaz mint egy dízelmotor) és Otto-körfolyamat szerint (akár egy benzinmotor) üzemelni.

Az egyszerre dízel és benzines motor alatt nem azt kell érteni, mint az úgynevezett „mindenevő” motorok esetén, vagyis mint egy tankmotornál, ami, legalábbis a legendák szerint, képes bármivel, ami éghető, üzemelni. A mindenevő motorok olyan üzemanyagokra vevők, amik valamilyen szempontból hasonlítanak egymásra, mint pl. a dízelolaj, a fűtőolaj, a petróleum, a fáradt olaj, a sültkrumpliszagú, használt sütőolaj, megolvadt cipőkrém és hasonlók.

A közös pont, hogy nagy melegben és nyomáson hajlandóak maguktól meggyulladni és nagyjából normális módon elégni. A normális ebben az esetben azt jelenti, hogy lassan, szemben például a benzinnel vagy az alkohollal, ami egy nagyságrenddel gyorsabban ég, mint az előbb említett cuccok. Szóval a mindenevő motorok nem igazán mindenevők: gázolaj-szerű folyadékokkal elboldogulnak, azaz mindennel, amit el lehet Diesel-körfolyamat szerint tüzelni. Ezzel szemben nem, vagy nem sokáig működnének benzinnel, alkohollal vagy földgázzal.

...és most tisztázzuk, mi a különbség a benzinmotor és a dízelmotor között!

Az benzin és gázmotorok Otto-körfolyamat szerint üzemelnek. Négyütemű motor esetében ez a következőképpen néz ki: a motor levegőt vagy levegő-üzemanyag keveréket szív, ezt összesűríti (mondjuk nagyjából az eredeti térfogat egy tizedére, vagyis a kompesszióviszony 1:10), majd valamilyen módon, leggyakrabban egy gyújtógyertya szikrájával meggyújtja. A szikra közvetlen közeléből kiinduló égés folyamatosan végighalad a henger tejes tartalmán, és az összes üzemanyag rövid idő alatt elég.

Az elméleti Otto-körfolyamat szerint ez az égés állandó térfogaton játszódik le, vagyis az égés gyorsan történik, olyan gyorsan, hogy a dugattyú nagyon keveset mozdul el közben, a térfogat tehát nem változik.

Otto-motorokkal kapcsolatban fontos fogalom a keverék milyensége, ez lehet dús, sztöchiometrikus vagy szegény. A keverék akkor sztöchiometrikus, ha éppen annyi üzemanyag van a hengerben, amennyi a hengerben vele együtt lévő levegőben éppen el tud égni, és a folyamat végén sem üzemanyag, sem oxigén nem marad. Ezt úgy is lehet mondani, hogy a légfelesleg-tényező 1. Ha a keverék dús, akkor több az üzemanyag, mint amennyi adott mennyiségű levegőben el tud égni, a folyamat végén, tehát marad némi el nem égett üzemanyag, a légfelesleg-tényező ilyenkor kisebb, mint 1. A szegény keverékben kevés az üzemanyag a levegőhöz képes, a légfelesleg-tényező 1-nél több. Az átlagos személyautóban a légfelesleg-tényező szinte mindig 1, kivéve például gyorsításkor, illetve olyan nagy teljesítményű motoroknál, amiknél a turbót szándékosan el nem égett üzemanyaggal hűtik (nagy literteljesítményű turbómotorok, szevasztok!). A teljesítmény szabályozása a hengerbe jutó optimális arányú keverék mennyiségének a szabályozásával történik.

A Diesel-körfolyamat ettől annyiban különbözik, hogy az üzemanyagot – például dízelolajat – mindenképpen a már összesűrített, forró és nagy nyomású levegőbe fecskendezik be. A levegő attól forró és nagy nyomású, hogy a kompesszióviszony magas, mondjuk 1:13–1:16 környékén van, turbónyomástól és motortípustól függően. A befecskendezett gázolaj egy némi késedelem után elkezd égni, és nagyjából abban az ütemben ég el, ahogyan az injektorból a hengerbe kerül.

Az elméleti Diesel-körfolyamat szerint az égés állandó nyomáson történik, tehát az égés lassú, a dugattyú az égés (=nyomásnövekedés) közben annyit mozdul el, hogy az elmozdulás következtében megvalósuló térfogat-növekedés nagyjából kompenzálja az égésből adódó nyomásnövekedés hatását.

A dízelmotor nem érzékeny a légfelesleg-tényezőre, sőt. A teljesítmény szabályzása a levegő-üzemanyag keverék minőségének változtatásával úgy történik, hogy nagyjából ugyanannyi levegőbe több (=nagy teljesítmény) vagy kevesebb (=kis teljesítmény) üzemanyagot juttatnak az égéstérbe. Akárhogy is, amíg a levegő elég forró a sűrítés után, és az üzemanyag bejut a hengerbe, a motor jár, akár sok az üzemanyag, akár kevés. Legfeljebb füstöl vagy kicsi a teljesítménye.

Itt jönnek képbe a cikk tárgyát képező motorok, amik képesek akár Diesel-, akár Otto-körfolyamat szerint üzemelni, attól függően, hogy milyen üzemanyaggal kínáljuk meg őket, vagy akár egyetlen üzemanyag esetén attól függően, hogy mit akarunk elérni. Például alacsony fogyasztást, hogy csak egyet mondjak. Lássunk két példát, hogy is működik egy ilyen motor.

A Mazda Skyactiv-X motorja

Ez a motor egyféle üzemanyaggal üzemel: benzinnel. Képes Otto- vagy majdnem-Diesel körfolyamat szerint elégetni azt, mégpedig azért, mert ez egy lehetséges módja a fogyasztás – és ezzel a CO2 kibocsátás – csökkentésének. Azért csak majdnem-Diesel a folyamat, mert a gyújtást ugyan főként a nyomásnövekedés következménye (erre máris rátérünk), de az égés nem állandó nyomáson zajlik.

Ez a motor alacsony terhelésen kompressziógyújtással működik. A beszívott levegőt a motor az egy-tizenhatodára nyomja össze, közben folyamatosan benzint fecskendezve a levegőbe. A lényeg itt az, hogy kevés benzint – olyan keveset, ami még a magas kompresszióviszony ellenére sem gyullad meg magától. A légfelesleg-tényező 2 fölött van, ez egy nagyon szegény keverék. A kompressziós ütem végén aztán befecskendez még egy pici benzint, és rögtön utána gyújt a gyertya. Mivel az üzemanyag-befecskendező szelep közvetlenül a gyertya mellett helyezkedik el, és a szikra időben hamar követi a befecskendezést, a benzinnek nemigen van ideje elkeveredni a levegőben, így a gyertya körül egy kis térben viszonylag dús keverék alakul ki, amit szikrával vidáman meg lehet gyújtani.

Eddig az egész úgy tűnik, mint egy sima szikragyújtású benzinmotor, gondolhatnánk. Hogy lesz ebből kompressziós gyújtás és majdnem-dízelség? Nyugi, most kezdődik az izgi rész!

Azzal, hogy a gyertya körüli kb. ideális keverék elkezd égni, ki is tágul, és az eredetileg is a hengerben lévő szegény keveréket egyre kisebb helyre szorítja össze, ezzel túltolva ezt az öngyulladási határon: a szegény keverék mindenhol, nagyjából egyszerre meggyullad.

Miért jó ez? Azért, mert a körfolyamat nagy nyomáson, nagy kompresszióviszony mellett ment vége, ami jobb hatásfokot jelent, mintha ugyanennyi benzint 1-es légfelesleg-tényező és kisebb kompresszió mellett gyertyával meggyújtottunk volna. A jobb hatásfok pedig kevesebb üzemanyagot jelent ugyanakkora teljesítmény mellett. A fókabébik 99%-a ezt a megoldást ajánlja.

Felmerül azonban két kérdés. Az egyik az, hogy miért kell a gyertya, miért nem lehet ezt úgy csinálni, mint egy sima dízelmotornál, csak éppen benzinnel? Azért, mert a benzin sokkal gyorsabban, agresszívebben ég, ezért sokkal érzékenyebb a kis különbségekre, mint pl. a külső levegő nyomása és hőmérséklete, megmunkálási pontatlanságok, stb., amik a sűrítési ütem végén kialakuló nyomást mind meghatározzák. Gyertya nélkül bizonytalan lenne, hogy pontosan mikor gyullad be a keverék, az eredmény pedig kopogásos égés és rövid élettartam lenne. A gyertya szerepe az, hogy megadja a kezdőlökést.

A másik kérdés, hogy mi történik teljes terhelésen. Hát kérem, a motor ott egy sima benzinmotorként üzemel. A geometriailag meghatározott kompresszióviszony 1:16, emellett viszont nem lehet elég sok benzint juttatni a hengerbe anélkül, hogy az valahol a sűrítés folyamán meg ne gyulladna magától. Szegény keverékkel pedig nem lesz meg a teljesítmény, szóval ki kellett találni valami okosat, ez pedig a következő. Bizonyos terhelés fölött a szelepvezérlés nyitva hagyja a szívó szelepet jó sokáig, olyan sokáig, hogy a felfelé mozgó dugattyú a beszívott levegő egy jó részét ki is tolja egyből a szívószelepen (ezt nevezik Atkinson-ciklusnak, pontosabban itt van egy kis kompresszor is a motorra akasztva, így ez már Miller-ciklus). A szelep zárása után bent maradó levegő pedig már kellően kevés ahhoz, hogy ne legyen túl magas a sűrítési végnyomás, és anélkül lehessen 1-es légfelesleg-tényezővel működtetni a motort, hogy a kopogásos égést kockáztatnánk.

Összefoglalva: a Skyactiv X részterhelésen magas kompresszióviszony mellett egy szikragyújtással vezérelt, kompressziógyújtású, jó hatásfokú motor jó fogyasztással. Nagy terhelésen pedig egy hagyományos benzinmotor szikragyújtással.

A másik eset, amikor ugyanaz a motor működhet Otto- vagy Diesel-körfolyamat szerint, az úgynevezett

Dual Fuel motorok

esete. Az ötlet, hogy egy motort kétféle üzemanyaggal etessünk, elsősorban a hajózásból származik, és az ilyen motorokat ott használják leginkább.

Kezdjük a sztorit azzal a közismert ténnyel, hogy a földgáz felhasználási helyei és fellelhetősége nem minden esetben esnek egybe. Az emberiség hamar felismerte, hogy ez így nem jó, ezért elkezdett csővezetékeket építeni a kitermelés és a felhasználás helye közé. Ez a megoldás egészen jól működik, amíg nem kell ellenséges országokon, hatalmas hegységeken vagy jelentősebb kiterjedésű tengereken keresztül vinni a csövet. Onnantól kezdve nincs más, mint a hajó, és a gáz cseppfolyósítása.

Képzeljük el a következőt: a kitermelés közelében beleöntenek egy hajóba irtózatos mennyiségű, 150-170 ezer köbméter, mínusz 163 fokos, cseppfolyós földgázt (angol rövidítéssel LNG), a tartályra rázárják a kupakot, aztán uzsgyi, irány a célállomás.

Mivel az LNG mínusz 163 fok alatt hajlandó csak folyadék lenni, menet közben pedig nincsen hűtve (képtelenség), ezért menet közben állandóan forrásban van. Vagyis a folyadék egy része menet közben folyamatosan visszaalakul rendes földgázzá, aminek, 60-95%-a metán. Mindezt egy zárt tartályban. Sejtik már mi a gond?

A folyamat hasonlít ahhoz, mint amikor a kuktában forr a bármi, és fölötte folyamatosan gőz keletkezik, egészen addig, amíg a biztonsági szelep ki nem nyit, és kiereszti a gőzt, megelőzve ezzel a kukta és a közelben tartózkodó családtagok felrobbanását. Legalábbis jó esetben. Rossz esetben pedig:

A metánt viszont nem lehet csak úgy kiengedni, mert annyira agresszíven üvegházhatású, hogy tilos csak úgy a légkörbe eregetni – ezért aztán a leforró mennyiséget eleinte elfáklyázták (elégették). És erről jutott eszébe valakinek egy idő után, hogy tulajdonképpen miért is nem a motorban égetik el, így az elkerülhetetlenül keletkező veszteséget a hajó hajtására fordítva?

Egy, a hajózásban használt Dual Fuel (DF) motor a következőt tudja: képes dízelmotorként üzemelni, ilyenkor dízelolajat, vagy valami erre távolról hasonlító, a hajózásban használt egyéb üzemanyagot (mint pl. nehézolaj) elégetni. Képes továbbá arra is, hogy az LNG-tartályban folyamatosan keletkező, úgynevezett boil-off gázt – földgázt, metánt – égessen el, Otto-körfolyamat szerint. A két üzemállapot között a motor leállítása nélkül lehet váltani. Egyszerűen hangzik, nem? Az ördög természetesen a részletekben lakik.

Amikor a motor dízelüzemben jár, nincsen benne semmi különös: szív, sűrít, ésatöbbi. Gázüzemben más a helyzet: a levegő-gáz keverék is képes begyulladni csupán attól, hogy a dugattyú jól összenyomja és felmelegszik, ilyenkor azonban az történik, hogy a keverék hirtelen – nagyon hirtelen, mert sokkal gyorsabban ég, mint a gázolaj – teljes térfogatában meggyullad. Ezt nevezik kopogásos égésnek, és ez hatalmas mechanikai megterhelést jelent a motornak, ezért kerülendő. Mit lehet tenni ez ellen?

Az egyik kézenfekvő megoldás lenne, hogy csökkentjük a kompresszióviszonyt: nem nyomjuk annyira össze a levegőt vagy a gáz-levegő keveréket, ettől ez nem melegszik fel annyira, nincs öngyulladás. Ez gázüzemben tökéletes megoldás lenne, de ezzel a dízelüzemet lehetetlenítjük el.

További lehetséges megoldás lenne a kompresszióviszony változtatása: legyen dízelüzemben nagy, gázüzemben meg kisebb. Ez egy szuper megoldás – elméletben. Gyakorlatban ez olyan méretekben és olyan élettartam-elvárások mellett, ami egy hajómotorra jellemző, nem kivitelezhető műszakilag észszerű költségek árán.

A harmadik, egyben tényleg létező megoldás a következő: hígítsuk fel a gáz-levegő keveréket annyira, hogy ne akarjon magától meggyulladni – pont, mint a Skyactiv X esetén! Vagyis: csak viszonylag kevés gázt keverjünk a levegőhöz, szaknyelven: szegényítsük el a keveréket.

A Dual Fuel motorok a gyakorlatban elég szegény keverékkel üzemelnek annak érdekében, hogy a kopogásos égés a magas kompresszióviszony ellenére elkerülhető legyen, légfelesleg-tényező nagyjából 2,2 és 2,5 között van.

Igen ám, de azzal, hogy megoldottunk egy problémát, rögtön csináltunk magunknak egy másikat! A szegény keverék ugyan nem fog magától meggyulladni, és ez jó, ezt akartuk, de lassan már olyan szegény, hogy sehogyan máshogy sem fog meggyulladni. Nézzük, hogy erre mi a megoldás.

A gyertya egy hajómotorban szóba sem jön: dízelüzemben elkormolódna pillanatok alatt, ráadásul a fent említett szegény keveréket nem, vagy nem megbízhatóan tudja meggyújtani egy szikra. Erre persze lehetne megoldás a Mazda-féle lokálisan dúsított keverék, de az elkormolódást ez sem oldja meg.

A megoldás: egy második dízel-befecskendező rendszer. Van ugye a fő-dízel befecskendező, ami akkora, mint egy férfi alkarja (nem Alekoszé, inkább Csollány Szilveszterre gondoljunk), ami egyszerűen nem tud eléggé keveset befecskendezni, hogy az csak gyújtásként legyen értelmezhető. Ha pedig túl sokat fecskendezünk be, akkor oda a fogyasztás- és emisszó-előny a dízelüzemhez képest. Ezért kell egy második dízel-injektor, a hozzá tartozó nagynyomású pumpával, csövekkel, vezérléssel, miegymással. Lényeges, hogy kicsi legyen és tudjon jó keveset – hajómotor-értelemben keveset – befecskendezni, erre a célra pont megfelel mondjuk egy átalakított teherautó-üzemanyagrendszer. Természetesen léteznek egyéb megoldások is, de maradjunk most ennél a példánál.

Gázüzemben tehát a következő történik: gáz-levegő keveréket szív, sűrít, a kisméretű (teherautó-) injektorral gázolajat fecskendez, ami öngyulladással elég, ezzel meggyújtja a szegény gáz-levegő keveréket, munkavégzés, ésatöbbi.

Akkor tehát hol is tartunk? Van egyszer három üzemanyag-rendszerünk:

  1. A motor dízel-üzemében használt fő-üzemanyagrendszer
  2. A gázüzemben a gáz bejuttatására szolgáló gáz-rendszer...
  3. ...és a gázüzemben a gyújtást szolgáltató gyújtó-gázolaj-rendszer

Ha még nem lenne elég bonyolult, akkor jönnek a biztonsági előírások, csak említés szintjén, van még több tucat ezeken kívül:

  • A jelenleg hatályos szabályozások szerint a hajóknak a partközeli műveleteket dízelüzemben kell végrehajtani, kevés kivételtől eltekintve. Az ok egyszerű: dízelüzemben csak gázolaj kell, és a motor jár. Gázüzemben gáz és gázolaj kell egyszerre, mégpedig pont a megfelelő mennyiségben és pont jókor adagolva, különben a motor megáll, és van 50-100 ezer tonna irányíthatatlan mozgó vasunk.
  • Minden üzemanyagrendszernek abszolút folyásbiztosnak kell lennie. Ezért minden üzemanyagcső dupla falú, legyen az gáz- vagy gázolajcső. A belső csőben megy az üzemanyag, a külső és a belső cső közötti térbe tud folyni vagy csöpögni, ha bármelyik tömítés ereszt. Ezt a térrészt folyamatosan szenzorok figyelik, és ha folyást érzékelnek, vészjelzést generálnak. Ha a szivárgás a gázrendszert érinti, a motor automatikusan visszaáll dízelüzembe, a gázcsövet pedig teljes egészében elárasztják valamilyen nem éghető gázzal, például nitrogénnel vagy argonnal.
  • Mivel gázüzemben nagyon szűk az a tartomány, ahol a gáz és a levegő aránya éppen jó, fel kell készülni arra, hogy mi van, ha a keverékarány mégsem jó. A túl dús keverék a kisebbik baj: kopogásos égés történik, ezt a kopogásszenzor érzékeli és változtat a keveréken. Ha viszont túl szegény, akkor gáz van – szó szerint. Az elégetlen keverék ugyanis összegyűlhet a sok-sok méternyi kipufogórendszerben, és ha esetleg itt berobban, az eléggé kellemetlen a hajóra és a személyzetre nézve. Ezért aztán ezeken a motorokon kötelező mindenhová robbanásvédő szelepeket tenni. Ezek a robbanást ugyan nem akadályozzák meg, de képesek arra, hogy az agresszíven táguló gázokat kiscica-pukivá szelídítsék, a lángokat pedig teljesen elfojtsák.

Minden nehézség ellenére a Dual Fual motorok mégis igen népszerűek a hajózásban, és nem csak az LNG-tankerekben. Van ugyanis egy hatalmas előnyük: lényegesen kisebb károsanyag-kibocsátással üzemelnek, mint egy dízelmotor. Nem mellesleg a gázolaj és a nehézolaj ára folyamatosan nő, miközben a földgázé folyamatosan csökken, így az a ritka helyzet áll elő, hogy az egyik megoldás olcsóbb és jobb egyszerre, mint a másik.

Ennek ellenére nem valószínű autókban hasonló rendszerek elterjedése, egyrészt a műszaki komplexitás, és az ebből fakadó magas költségek, másrészt az LNG nehéz kezelhetősége miatt: kevesen lennének hajlandóak olyan autóval járni, amiben az üzemanyag folyamatos forrásban van, és lényegében sehol nem lehet otthagyni álló motorral hosszabb ideig, mert felrobban. Akkor már jobban járunk az LPG-vel vagy a CNG-vel.

A szerző az AVL Hungary motorfejlesztési üzletágának vezetője.

Hirdetésblokkolóval néznéd éppen a Totalcart, és ettől mi éhen halunk.

A TC olvasása ingyen van, de a működtetése nem: szerzőink és családjaik táplálkoznak, és ami fontosabb: rendszeresen tankolnak, pénzért.

Kérjük, engedélyezd a TC-n a hirdetések megjelenítését, vagy ellehetetleníted a működését annak, amit épp olvasni szeretnél.