Benzinmotorok továbbfejlesztése

Elektromos autók így, villanyautók úgy, új autó ügyben szinte másról sem hallani manapság. Nem is véletlen, mert ömlenek az információk. Újabb és újabb típusok látnak napvilágot, újabb és újabb elektromos autó gyártók nevét kell megtanulnunk, míg a régi, hagyományos gyártók egymás után jelentik be és ki, hogy 2030, vagy 2035 után már egyáltalán nem kívánnak hagyományos hajtásláncú autóval piacra lépni, kizárólag elektromossal.

Tegyük fel, hogy így lesz, és mondjuk 2030-ban már minden második eladott autót akkumulátorról táplált elektromotor hajtja. Ez nagyon jól hangzik, ám ha megnézzük, mit jelent ez a világ ugyanabban az évben úton lévő autóállománya szempontjából, azt találjuk, hogy 200 millió elektromos autó áll majd szemben 1100 millió (azaz 1,1 milliárd) hagyományos hajtásláncú autóval. Ennek persze az oka az, hogy a Föld szempontjából kedvező 50-50 százalékos éves eladási arányt csak lassan éri el az elektromos autók részesedése, vagyis addig még nagyon sok belső égésű motoros autót helyeznek forgalomba.

A környezetvédelem fontossága miatt azonban, amit itt Európában az Euro 7 -es szabvány szigorú előírásaiban is kifejezésre jut, lényeges lenne, hogy ha lehet, a belső égésű motorok is még tisztábban működjenek. Bár az ez irányú kutatások nem kapnak akkora visszhangot, mégis többen foglalkoznak a feladat megoldásával, és időnként közhírré is teszik eredményeiket. Legutóbb például a Nissan, amelynek vezetői nemrég tudatták, hogy olyan benzinmotort fejlesztenek, amelynek a hatásfoka szerintük eléri az 50 százalékot.

Nem sokan kapták fel a fejüket a bejelentésre, pedig legalább egy okból megérdemelte volna a figyelmet. Ez pedig nem más, mint a hatásfok felemlegetése. Kijelentésével ugyanis a Nissan azt üzeni, hogy a benzinmotorba betáplált kémia energia felét hasznos munkává tudja alakítani. Benzinre és energiára fordítva a szót, ez olyan, mintha 1 liter benzinből körülbelül 4,3 kWh hasznos energiát tudna előállítani. (1 liter benzin energiatartalma mintegy 8,4-8,8 kWh-nak felel meg.)

Az eredmény még szenzációsabbnak hangzik, ha figyelembe vesszük, hogy a szénnel, vagy kőolaj-származékokkal fűtött hőerőművek hatásfoka is 50 százalék körül alakul. Mindez azt sugallja, hogy ha sikerülne olyan motort készíteni, amelynek a hatásfoka eléri, vagy meghaladja az erőművekét, akkor az üzemanyagot érdemesebb lenne azokban elégetni, semmint erőművekben áramot termelni vele, majd azzal hajtani elektromos autókat.

Csak a teljes kép miatt érdemes talán megemlíteni, hogy már ma is léteznek olyan motorok, amelyek hatásfoka akár 55 százalék. Meglepő módon ráadásul ez a kiváló hatékonyságú motor nem négyütemű, hanem kétütemű. A nagy hajók turbófeltöltéses, kétütemű dízelmotorjai képesek ilyen jó hatásfokra, amiben nem kis szerepe van annak, hogy ezek a motorok lényegében állandó fordulatszámon működnek. (Kiváló hatásfokuk miatt a hajómotorok arányaiban kevés melegház-hatású szén-dioxidot termelnek, egyéb szennyező anyagot, például kormot, kén-dioxidot, vagy nitrogén-oxidokat ellenben eléggé sokat.)

Visszatérve a tengerekről a közutakra, a legjobb hatásfokot pillanatnyilag ott is a nagy méretű motorokkal lehet elérni. Nagynyomású befecskendezéssel, a hőveszteség visszanyerésével és úgynevezett turbo-compound rendszerrel (egy kipufogógázzal hajtott gázturbina vagy a főtengelyre dolgozik rá, vagy generátort hajt) szintén ötven százalék körüli hatásfokokat érnek el.

És hol tartanak a személyautó motorok? Itt még nem, de nem járnak nagyon messze. A negyedik generációs Toyota Prius Atkinson-ciklusban dolgozó benzinmotorjának 42 százalék a csúcshatásfoka, és körülbelül ide tehető a Mazda SkyActiv-X motorjának hatásfoka is. Mindkettő lényegében szívómotor, annak ellenére, hogy a Mazda motoron találunk egy kompresszort, aminek azonban nem a teljesítmény növelése, hanem a hengerek minden üzemállapotban megfelelő levegőellátása és a kívánt belső légáramlások létrehozása a feladata.

Az európai gyártók által általánosan alkalmazott közvetlen befecskendezéses, turbófeltöltésű benzinmotorok csúcshatásfoka 35 százaléktól kezdődik és szintén kicsivel 40 százalék felett végződik. A dízelmotorok hatásfoka 42 és 45 százalék közötti. (Annyit talán érdemes itt megjegyezni, hogy ezek a legkedvezőbb üzemállapotra jellemző hatásfok értékek, ha a motor nem az ehhez tartozó terheléssel és fordulatszámmal forog, akkor hatásfoka rosszabb.)

Lehet, hogy a személyautó dízelmotorok hatásfokán is lehetne még javítani, azonban a dízelbotrány miatt fejlesztésük annyira háttérbe szorult, hogy egyes gyártók már nem is hajlandóak foglalkozni vele. Inkább átálltak elektromos autóra. A benzinmotorok azonban nem szenvedtek el a dízelekéhez hasonló presztízsveszteséget, ezért – mint a Nissan esete is mutatja – még nem adták fel a velük való kísérletezést.

És valóban, a benzinmotorok is annyi mindent megkaptak már: négyszelepes technikát, változó szelepvezérlést, turbótöltést, különböző takarékos munkafolyamatokat (Atkinson, Miller), mit lehet még velük tenni? Érdekes módon az egyik probléma nagyon régi, és bár számos ötlet született a megoldására, még mindig feladja a leckét. Ez pedig a sűrítési viszony, illetve a sűrítési végnyomás emelése. Ez ugyanis minél nagyobb, annál jobb a hatásfok. Csakhogy benzinmotoroknál nem lehet nagyon megemelni, mert ha ezt tennénk, a levegő-benzin keverék a túlzott összenyomástól idő (azaz jóval a felső holtpont) előtt belobbanna, és kopogásos égés következne be, ami tönkreteszi a motort.

Tehát a jobb hatásfok érdekében úgy kellene emelni a sűrítési viszonyt, illetve a sűrítési végnyomást, hogy ne következzen be kopogásos égés. Hogyan lehet ezt megoldani? A közvetlen befecskendezéses turbófeltöltős motoroknál ehhez egy első hallásra nem túl rokonszenves megoldást vetnek be. Benzinnel hűtik az égésteret. Természetesen nem mindig. Részleges terhelésnél erre nincs szükség, ilyenkor valóban takarékosan működnek az ilyen motorok. Nagy terhelésnél viszont szükség van a többlet üzemanyag által biztosított hűtő hatásra (a párolgás, jelen esetben az üzemanyagé, hőt von el). Ökölszabályként elmondható, hogy 130-140 km/órás sebesség felett gyorsítva akár a benzin ötöde is hűtésre fordítódhat. (Ezért emelkedik egy bizonyos sebesség felett elég meredeken az ilyen motorok fogyasztása.)

Önként adódik az ötlet: nem lehetne mással hűteni? De igen, mondta nemrég a BMW és bő száz éve Bánki Donát. Vízzel. A karburátor kidolgozásában is jeleskedő magyar tudós az akkori alacsony oktánszámú, kopogásra különösen hajlamos benzinek miatt javasolta a vízzel történő belső hűtés alkalmazását (a kompresszióviszony növelése érdekében), míg a BMW éppen azt a bizonyos 20 százaléknyi többletfogyasztást kívánta megspórolni azzal, hogy nem benzint, hanem inkább vizet fecskendez a szívócsövekbe.

Készítettek is egy ígéretes prototípust a BMW 1-es B38 jelzésű, háromhengeres motorjából, amely teljes terhelésnél valóban hozta a várt megtakarítást, míg részterhelésnél 8 százalékkal fogyasztott kevesebbet. Sorozatgyártás azonban nem lett belőle, vélhetően részben a nagyobb költségek, valamint a közben meglódult villanyosítás miatt. A konnektorról tölthető hibrideket jobban díjazzák az érvényben lévő előírások, mint a valódi fogyasztáscsökkentést.

A hatásfok javításának egy másik módja az úgynevezett rétegelt töltés alkalmazása. Ennek a lényege leegyszerűsítve az, hogy a közvetlen befecskendezésre támaszkodva csak a gyertya közelében és közvetlenül a gyújtás előtt alakítunk ki éghető (14,7:1 súlyarányú) benzin-levegő keveréket, miközben a henger többi részét alapvetően égni nem képes levegő vagy nagyon híg benzin-levegő keverék tölti ki. Ezt a trükköt alkalmazzák részterhelésnél a turbófeltöltős, közvetlen befecskendezéses motorok, valamint a Mazda SkyActiv motorjai is.

A rétegtöltés egy különleges megoldása az előkamra alkalmazása, amire a Ferrari mutatott megoldást F1-es motorján. Az égéstér közepén kiképzett üregbe egy gyertyát és egy befecskendező fúvókát helyeztek el. A fúvóka csak ebbe az előkamrába fecskendez benzint, így csak ott alakul ki éghető keverék, amit a gyertya gyújt meg. Az égés hője azonban a többi levegőt is felmelegíti és ezzel kitágítja, és így együtt nyomják le a dugattyút. Az eredmény 45 százalékos csúcshatásfok.

Hasonló, de mégis más a Maserati MC20-as motorjában az előkamra kialakítása és működése. Az egészen pici, cső alakú előkamrában csak gyertya van, ami az egészen kis furatokon keresztül az égéstérből az előkamrába áramló ideális, azaz 14,7:1 arányú benzin levegő keveréket gyújtja meg. Az előkamrából a nyolc lyukon át kilövellő égő gázcsóvák rekordsebességgel gyújtják be az égésteret kitöltő benzin-levegő keveréket (amiben egy másik gyertya is a segítségére van), így egyrészt nagy lehet a fordulatszám (8000/perc) és mintegy 15 százalékkal emelhető a kompresszióviszony.

Előkamrát ugyan nem vet be a Nissan a nemrég belengetett 50 százalékos hatásfokú motorjánál, de rétegtöltést igen. Összességében úgy néz ki, mintha az ideálishoz képest dupla annyi tömegű levegőhöz kevernék az egy egységnyi benzint (14,7:1 helyett 29,4:1 a levegő benzin tömegarány). E mellett még számos további apró trükköt alkalmaznak. Ilyen a szuperhosszú löket (hosszabban vehető ki munka a forró gázokból), a veszteséghő-csökkentés, a hővisszanyerés (kipufogógázokból), nagymértékű és hűtött kipufogógáz-visszavezetés, és az égéstérben kialakított megfelelő örvényléssel tökéletesített égésfolyamat. Összesen 11 lépésben jutnak el a kiindulásnak számító 40 százalékról a kitűzött 50 százalékra.

Az utolsó lépés egyébként ugyanaz, amit a hajódízelek is alkalmaznak. Vagyis minél többet üzemel a motor a legjobb hatásfokkal együtt járó fordulatszám- és terheléstartományban. Hogyan tudják ezt elérni egy autómotornál, aminek az autópálya-használatot leszámítva általában állandóan változik a terhelése és a fordulatszáma? Úgy, hogy a motor nem a kerekeket hajtja valamilyen sebességváltón keresztül, hanem csupán egy generátort. A Nissan ugyanis egy soros hibrid rendszerhez kívánja felhasználni, arra a célra, hogy hajtsa a generátort, amelynek az áramával egy akkumulátor töltenek. Majd az akkumulátor áramával táplálják a hajtó elektromotort.

Ha az akku merülni kezd, beindul a motor-generátor egység, és állandó fordulatszámon és terhelésen pörögve pótolja a hiányt. Természetesen olyan üzemmód is elképzelhető, amikor a termelt áram egyenesen a hajtó motorba jut, de ehhez az kell, hogy a haladásból adódó terhelés egybeessen a motor ideális terhelési és fordulatszám-tartományával.

Első pillantásra akár úgy is tűnhet, hogy a Nissan ezzel megoldotta a nagy problémát. Új motorjának ígért 50 százalékos hatásfokára támaszkodva majdnem úgy tud előállítani autóhajtásra is alkalmas áramot, mint a szintén körülbelül 50 százalékos hatásfokú hőerőművek. A majdnem annak szól, hogy a Nissan soros hibrid rendszerénél eddig nem vettük figyelembe a generátor és az áramátalakítás (váltakozóáramról egyenáramra) hatásfokát, ami csökkenti az összhatásfokot.

És még valamit nem vettünk figyelembe. Azt, hogy eddig csak olajjal, vagy szénnel fűtött hagyományos erőműveket emlegettünk, ez volt az összehasonlítás alapja. Holott egyre kevesebb olyan ország van, ahol kizárólagosan hőerőművek termelnék az áramot. Márpedig ha az olyan egyéb előállítási formákat, különösen a megújulókat, vagy például az atomenergiát is belevesszük a teljes képbe, amelyek nem használnak fel sem szenet, sem olajat, akkor kedvezőbb arányt kapunk eredményül.

Ahogy pedig haladunk előre az időben, ez az arány a legtöbb országban folyamatosan javul, amit az 1 kWh elektromos energia megtermelése közben keletkezett szén-dioxiddal lehet talán a legjobban kifejezni. (Szén-dioxid elsősorban a fosszilis energiahordozókkal, a szénnel, olajjal, vagy gázzal működő erőművekben termelődik.) Németországban például az elmúlt harminc évben lényegében megfeleződött az 1 kWh elektromos energia megtermelésére jutó szén-dioxid-kibocsátás: az 1990-es 764 grammról 2019-re 401 grammra csökkent. Ezt úgy érték el, hogy a szén szerepe 59 százalékról 25-re csökkent, miközben a megújuló energiaforrásoké (szél, nap) nulla százalékról 30 százalékra emelkedett. Hozzá kell tenni, hogy Magyarországon az elektromos autók így is körülbelül feleannyit szennyeznek, mint Németországban, hiszen nálunk Paksnak köszönhetően 1 kWh áram előállítása csupán 210 g szén-dioxid előállításával jár együtt. (Más kérdés, hogy az atomhulladékot mennyire tartjuk szennyezőnek, illetve mit kezdünk vele.)

Mindebből talán látszik, hogy a belső égésű motorok további tökéletesítése átmenetileg hozzájárulhat az autók fogyasztásának és szén-dioxid-kibocsátásának csökkentéséhez - ami már önmagában is értékelendő eredmény. Azonban hosszabb távon, az elektromos autók fejlődésével és az elektromos áram előállításának várható környezetbarátabbá válásával az elektromos autózás lassan, de biztosan átveszi a vezető szerepet.