Tudnának tényleg takarékos autót gyártani, csak senki nem venné meg

Ki mit gondol, mekkora végsebességre lehet elég 13 lóerő, azaz 10 kW. 100 km/órához? 120-hoz? Vagy talán még 140-hez is? Tessék megkapaszkodni, 196 km/órás sebességet is el lehet érni ekkora teljesítménnyel. Legalábbis ennyivel sikerült száguldania 1955-ben az NSU rekordgépének. A csodálatos képesség titkát valószínűleg mindenki sejti. A valószínűtlenül kis gördülési- és légellenállás áll az elképesztő tempó hátterében.

Valóban így van, az NSU szivar alakú rekordjavító motorkerékpárjának az alaktényezője (németül c_W, angolul c_D érték) alig 0,11 volt, és a menetszél ellenében feszülő homlokfelülete sem volt nagyobb 0,4 méternél. Ráadásul motorkerékpár lévén csak két kerék gördülési ellenállása igényelt további energiabefektetést.

Ha már az energiánál tartunk, akad itt még egy érdekesség. Képzeljük el azt, hogy ez a jármű képes egy órán keresztül száguldani a közel kétszáz kilométeres sebességgel. (Rekordgép lévén ez természetesen nem feladata, elég ha a sebességmérés távján, vagyis egy mérföldön keresztül tartani tudja a tempót.) Eközben végig 10 kW teljesítményt fordít a menetellenállások leküzdésére, így az energiabefektetése éppen 10 kWh. Annyi, ami csak kicsivel több 1, azaz egy liter benzin energiatartalmánál. (Egy liter benzin energiatartalma 8,67 kWh, egy liter gázolajé 9,79 kWh.) Mivel gondolatkísérletünkben a rekordgép egy óra alatt csaknem kétszáz kilométer távolságot hagy maga mögött (hiszen a tempója 196 km/h), 100 kilométerre vetítve alig több, mint fél liter benzin energiatartalmát fordította a haladásra.

A fogyasztása természetesen nem ennyi lehetett, hiszen az előbbi gondolatmenet csak a jármű által a menetellenállásokra fordított energiával foglalkozott. Azonban nyilván a motornak, és az egész erőátvitelnek van egy hatásfoka, vagyis a valójában bevezetett energiának csak egy része küzdött meg valójában az elemekkel. A Baumm-féle NSU szivar fogyasztásáról nem maradt fent adat, de figyelembe véve, hogy egy Wankel kompresszoros, 50 köbcentis kétütemű motor hajtotta, nem csodálkoznék, ha a teljes hajtáslánc hatásfoka, a motort és mindent beleértve meghaladná a 10 százalékot. Ami azt jelenti, hogy a valóságos fogyasztás 100 kilométerre vetítve valószínűleg 5 liternél is több volt. Ami persze még mindig mesés érték.

El kell ismerni azonban, hogy az NSU rekordgépe, hasonlóan minden hasonló szerkezethez, köszönőviszonyban sincs a hétköznapi használatú járművekkel. Egyetlen utas szállítására alkalmas csak, aki ráadásul nem ül, hanem fekszik, ezzel is hozzájárulva az áramvonalas kialakítás és főként a kis homlokfelület eléréséhez. Ettől azonban még érdekes lehet megnézni, hogyan érvényesül ugyanaz a fizika a mindennapi használatú autók esetében. Például az, hogy az autópálya tempó, azaz a 130 km/órás sebesség tartása sík úton, 20 fokos környezeti hőmérséklet mellett (levegő sűrűsége 1,2 kg/m³) mennyi energiát igényel, és ez hogyan aránylik a tényleges üzemanyag-fogyasztáshoz. Bár a számítás elméleti, meglepő módon az eredmények nem is állnak olyan messze a valóságostól.

Első alanyunknak válasszuk egy ma divatos jármű-kategória népszerű képviselőjét, a Škoda Kodiaq-ot. A légellenállás számításának alapja az a képlet, amit Asszúr (Andróczi Balázs) kolléga is kifejtett már egy korábbi írásában. A gördülési ellenállás számítási alapja pedig a Kraftfahrtechnisches Taschenbuch (Gépjármű-technikai kézikönyv) legfrissebb, 29. kiadásából származik, amelyben természetesen szerepel a légellenállás számítása, továbbá egy táblázat is, amely megadja, hogy a különböző járműkategóriák az alaktényezőjüktől és a homlokfelületüktől függően mekkora teljesítményt igényelnek a légellenállás leküzdésére 40 és 120 km/órás sebességnél. (A légellenállás teljesítményigénye az alaktényezőnek, a homlokfelületnek, a levegő sűrűsége felének, valamint a méter per másodpercre átszámított sebesség harmadik hatványának, vagyis köbének a szorzata. A gördülési ellenállásra fordított teljesítmény pedig a járműtömeg, az aszfaltra vonatkozó tapasztalati együttható (0,008) és a sebesség szorzata.)

Annyit azonban talán máris érdemes megjegyezni, hogy az autógyárak csak abban az esetben serénykednek akár az alaktényezőt, akár a homlokfelületet megadni, ha abban valami látványosat produkáltak. Egyébként nem nagyon igyekeznek, ezért egyes típusok alaktényezője lényegében kinyomozhatatlan, míg a homlokfelületnél a legtöbb esetben a jól bevált közelítéssel kellett élni, vagyis a tükör nélküli szélesség és a magasság szorzatának 85 százalékát kellett figyelembe venni.

A Škoda Kodiaq alaktényezője szerencsére ismert, 0,33, számított homlokfelülete 2,65 négyzetméter (a kettő szorzata 0,875 m²), a tömege 1800 kg. Az ezekből számított, légellenállásra fordított teljesítményigény 130 km/óránál 24,5 kW (33,3 LE). A Kraftfahrtechnisches Taschenbuch a terepjáró-szerű járműveknél 0,29 és 0,55 közötti alaktényezővel és 2,49, valamint 3,15 négyzetméter közötti homlokfelülettel kalkulál, amelyekkel 16,1 és 38,6 kWh közötti légellenállásra fordított teljesítmény adódik 120 km/óránál. Az általunk kapott érték szerintem egészen jól illik ebbe, persze annak figyelembe vételével, hogy a valóságost közelítő számítás miatt nem 120, hanem 130 km/órás sebességre kalkuláltunk.)

A gördülési ellenállásra 5,2 kW (7,1 LE) megy el, vagyis a teljes teljesítményigény 29,7 kW (40,4 LE). Mivel egy óra alatt ezzel a tempóval 130 km-t tesz meg Kodiaqunk, ezért a 100 kilométerre érvényes energiaigény meghatározásához 0,77 órával kell megszoroznunk a kapott értéket. (Ennyi idő alatt tesz meg 100 km-t egy 130 km/h-val haladó autó.) Az eredmény 22,87 kWh - tehát ennyi energiát igényel egy Kodiaq esetében, hogy 130 km/órás tartott valódi sebességgel megtegyen 100 kilométert. Benzinre, illetve gázolajra átszámítva ez 2,64, illetve 2,34 liternek felel meg.

A tényleges fogyasztásából ennyit fordít tehát valóban a haladására a Kodiaq, a többi - az olyan hasznosnak tekinthető tevékenységeken kívül, mint az autó elektromos energiaellátása, vagy a klíma hajtása - a hűtővízzel, a kipufogógázzal, a hajtáslánc elemeinek súrlódásaival és a hasonló veszteségforrásokkal lényegében veszendőbe megy. (Télen a meleg hűtővíznek azért vesszük hasznát.) Ez az a bizonyos hatásfok, ami belső égésű motoros járművek esetében 25 és 35 százalék közötti érték. Tippeljünk a benzinesnél 30, a dízelnél 35 százalékos hatásfokot, amivel visszaszámolva a Kodiaqunk benzinből 8,8, gázolajból 7,8 litert fogyaszt 100 kilométerenként 130 km/órás valódi (nem km-óra szerinti!) sebességnél.

Természetesen adódó gondolat, hogy a Kodiaq-énál sokkal kedvezőbb értéket kapnánk egy kisautónál. Vegyük példának a jelenleg legkedvezőbb c_W-jű kisautót, az új Škoda Fabiát. Alaktényezője 0,28, a homlokfelülete 2,21 m² (a kettő szorzata 0,62 m²) - mindkét érték sokkal jobb a Kodiaqénál, így nem csoda, hogy a 130-as tempónál a légellenállás leküzdése csak 17,4 kW-ot (23,7 lóerőt) igényel. Ráadásul a Fabia sokkal könnyebb is, a tömege 1200 kg, ezért a gördülési ellenállásra is csak 3,5 kW-ot (4,8 LE) fordít. Ez összesen 20,9 kW (28,4 LE). A 100 kilométerre számított energiaigény 16,1 kWh, ami 1,86 liter benzin energiatartalmával egyenlő. Az átlagos hatásfokkal visszaszámolva 6,2 l/100 km-es elméleti fogyasztás jön ki.

Bár a kategóriában első, a Fabia 0,28-as alaktényezője összességében nem számít különösebben jónak. Ezt csak azért nem róhatjuk fel neki, mert a kisautóknál a legnehezebb olyan, a légellenállás szempontjából kedvező, azaz nyúlánk formát kialakítani, hogy az ne menjen a belső térkínálat rovására. (A KT kisautókra 0,29 és 0,37 közötti alaktényezőt, 2,05 és 2,2 négyzetméter közötti homlokfelületet, és 13,2 és 18,1 kWh közötti teljesítményigényt ad meg 120 km/óránál.) Minél hosszabb az autó, annál könnyebb ezt a két szempontot összeegyeztetni, de már négy és fél méteres hossztól kezdve összejöhet a kompromisszum.

Példa lehet erre a 4,7 méter hosszú új BMW 320i, ami úgy nyújt utazási kényelmet akár öt utas számára is, hogy az alaktényezője mindössze 0,23. Mivel a magassága csak 143 centi, ezért homlokfelülete is kicsi, 2,26 m², ami alig nagyobb a Fabiáénál. A két érték szorzata 0,52 m², ami sokkal jobb mind a Fabia 0,62 m²-es, és pláne a Kodiaq 0,875 m²-es értékénél. Ebből következően a BMW 3-as légellenállási teljesítményigénye a legalacsonyabb a három autó közül: 14,6 kW, azaz nem egészen 20 LE. (A KT a középkategóriás autókra 0,23 és 0,35 közötti alaktényezőt, 2,20 és 2,38 négyzetméter közötti homlokfelületet, valamint 11,3 és 18,5 kWh közötti légellenállásra fordított teljesítményt ad meg 120 km/óránál.)

A Fabiánál nagyobb autó lévén azonban a tömege is nagyobb, 1650 kg, így a gördülési ellenállásra fordított teljesítmény is nagyobb, 4,8 kW (6,5 LE). A kettő összege azonban így is jobb a Fabiáénál: 19,4 kW (26,4 LE), ezért az ellenállások összességére 100 kilométerenként fordított energia szintén kevesebb: 14,9 kWh. Ez 1,72 liter benzin energiatartalmával egyenlő, ami a hatásfokkal korrigálva 5,2 literes fogyasztást adna ki.

És hogyan néz ki ugyanez, ha alanyunk nem egy belső égésű motoros autó, hanem elektromos? A BMW 3-assal való összehasonlításra adja magát a Tesla Model 3-as, amelynek mind az alaktényezője (0,23), mind a homlokfelülete (2,26 m²), továbbá e kettő szorzata (0,52 m²) is pontosan annyi, mint a BMW 3-as esetében. Ebből következik, hogy a légellenállás leküzdésére fordított teljesítmény is ugyanannyi (14,6 kW, azaz 20 LE, bár elektromos autóknál megelégszünk általában a kW-ban kifejezett adattal). Különbség egyedül a tömegben van, a Model 3-as 1800 kilót nyom, így a gördülési ellenállásra fordított teljesítmény 0,4 kW-tal nagyobb: 5,2 kW (7,1 LE). A teljes teljesítményigény tehát 19,8 kW (26,9 LE), a 100 km-re eső energiaráfordítás pedig 15,25 kWh.

A nagy különbség most jön. Az elektromos autók sokkal jobb hatásfokkal hasznosítják az akkumulátorban tárolt energiát, mint a belső égésű motoros autók a benzinben tároltat. A teljes hajtásláncra és áramátalakításra számított hatásfok 80 százalék körüli, amivel számolva az jönne ki, hogy 130-as tempónál a Model 3-as körülbelül 19,1 kWh áramot használ el az akkumulátorából. Újabb eltérés, hogy ezt az adatot nem érdemes benzinre átszámolni, hiszen nem benzin fogy a tankból, hanem áram az akkumulátorból. A számított érték a valóságban természetesen nagyobb is lehet, hiszen akár nyáron a klímát, akár télen a fűtést használja valaki, vagy esetleg több elektromos fogyasztót kapcsol be egyszerre, azok energiafelhasználását is kizárólag és egyedül az akkumulátor fedezi.

De, ha már itt tartunk, érdemes talán összevetni a Tesla Model 3-ast közeli rokonával, a Model Y-nal. A két elektromos autó padlólemeze, technikája azonos, csupán a karosszériájuk más, a Model Y a szabadidő-autók táborát gazdagítja. Ami érdekes, és a formatervezők gondosságát igazolja, hogy a SUV alak ellenére a Model Y alaktényezője éppen akkora, mint a Model 3-asé: 0,23. A légellenállása ennek ellenére nem ugyanakkora, mert a SUV forma nagyobb arculattal jár, vagyis a Model Y-nak nagyobb, 2,26 m² a homlokfelülete. Természetesen a két adat szorzata is nagyobb, 0,61 m² (Model 3: 0,52), amiből következően a légellenállás leküzdésére fordított teljesítményigény is nagyobb: 17,1 kW (23,3 LE). Nehezebb is, 2050 kg, ezért a gördülési ellenállásra fordított teljesítmény is több: 5,9 kW (8 LE). A kettő együtt 23 kW, 3,2 kW-tal több, mint a Model 3-asé.

Aki idáig jutott a cikkben, talán már sejti, mire is megy ki a játék. Igen arra, amit egyébként régóta tudunk, és a két azonos technikájú Tesla is jól példáz, de a Škoda Kodiaq-BMW 320i párhuzam is talán elég plasztikusan mutat. De, ha valakinek nem lenne elég, utolsó példaként álljanak itt két hatalmas, 2,5 tonnás luxusautó összehasonlító adatai. A Mercedes G-osztályé és az EQS-é. A G-osztály alaktényezője 0,54, homlokfelülete 3,23 m². A kettő szorzata 1,74 m², amiből következően a teljes teljesítményigénye 130 km/óránál 55,9 kW, az ellenállásokra fordított fogyasztása 43,1 kWh. A 0,2-es alaktényezőjű Mercedes EQS homlokfelülete 2,48 m2. Szorzatuk alig 0,495, így a teljesítményigény 21,1, fogyasztás 16,2 kWh. Még egyszer: 55,9 kW a 21,1 kW és 16,2 kWh a 43,1 kWh ellenében! Szélsőséges példa, de kézzelfoghatóan mutatja, hogy a körülbelül hasonló használati értéket felmutató, de rosszabb alaktényezőjű és nagyobb homlokfelületű járműnek kimutathatóan nagyobb a légellenállása, ezért több teljesítményt igényel a mozgatása, és magasabb a fogyasztása. És, nem meglepő módon, éppen a lassan egyeduralkodóvá váló szabadidő-autók tartoznak ebbe a körbe. (A G-osztály mentségére szóljon, hogy az nem SUV, hanem valódi terepjáró.)

Mindez nem is lenne talán baj, ha eközben másról sem szólnának a hírek, mint Földünk felmelegedéséről, a klímakatasztrófáról, és annak egyik lényeges kiváltó okáról, a közlekedésben kibocsátott szén-dioxidról. Ha csökkenteni akarnánk, az autók fogyasztásának csökkentésére kellene törekednünk, e helyett olyan típusok lepik el az utakat, amelyek legtöbb esetben csak érzetekben nyújtanak többet, mint a hagyományos formák. Ráadásul a többlet energiaigény nem csupán nagy sebességeknél mutatható ki, hanem a jelentősebb járműtömeg miatt emelkedőn és a gyakori gyorsításokat igénylő városi forgalomban is. A szintén nem a pehelysúlyú kategóriába tartozó hibridek és az elektromos autók legalább annyit fel tudnak mutatni, hogy lassításkor visszanyerik az ugyanakkora sebességre felgyorsítás energiabefektetésének körülbelül felét. A belső égésű motoros autóknál azonban erre nincs mód.

Mindezt úgy, hogy régóta tudjuk, a szakemberek különösen, hogyan lehetne takarékos, kis káros anyag kibocsátású autókat előállítani. Törekedni kellene a kis légellenállásra, azaz a kedvező formára és kis homlokfelületre, valamint a kis tömegre. A képesség rendelkezésre áll hozzá, hiszen már léteznek olyan autók, amelyeknek 0,2 az alaktényezőjük (például Mercedes EQS és Tesla Model S), a homlokfelület csökkentése pedig szintén forma kérdése. A tömeg csökkentése sem megoldhatatlan, hiszen még elektromos autókból is akadnak olyanok, amelyek nem sokkal nehezebbek belső égésű motoros riválisaiknál (Tesla Model 3: 1,8 tonna, Renault Mégane E-Tech Electric: 1,7 tonna).

Mégis, mintha senki nem akarna ilyen autót, még az elektromos autó vásárlói sem feltétlenül. A nagyközönség rácuppant a hagyományosakhoz képest újszerű SUV formára, ami nagyobb biztonságérzetet sugall, könnyebb beszállást és jobb kilátást ígér (utóbbit ugyan egyre kevésbé tartja be, lásd lőrésszerű ablakok oldalt és hátul), ugyanakkor magasabb a benzin-, a gumiabroncs és sok esetben a szervizszámlája is. A gyáraknak is jó, mert a szabadidő-autókon nagyobb a profitjuk. Nem véletlenül vívták ki a törvényhozóknál azt a varázsképletet, ami a tömeggel korrigálja a szén-dioxid-kibocsátást, így a többet kibocsátó, de nehezebb autók végül tisztábbnak bizonyulhatnak, mint a kisebb kibocsátású, könnyebb társaik. Dupla haszon! A Földdel meg rajta velünk meg majd lesz valami...