Takarékos ciklusok

Emlékszik még valaki a BMW eta motorjára? Ha nem, az nem a véletlen műve, mert eredetileg nem az európai piacra készült, ezért hozzánk csak néhány hírmondó jutott el belőle. A másik, ami miatt nem nem írta be magát az emlékezetbe, hogy homlokegyenest az ellenkezőjét nyújtotta annak, amit a BMW motoroktól a saját korában elvártak, és amiről a bajor márka ma is általánosan ismert. Egyáltalán nem egy pörgős, erőtől duzzadó motor volt, hanem épp fordítva. Lökettérfogatához képest egyenesen röhejes teljesítményt nyújtott, benzinmotor létére pedig a fordulatszáma inkább a dízelekéhez állt közel.

A furcsa viselkedésre azonban nyomós indoka volt, mégpedig a takarékosság. Az eta motor a nyolcvanas évek elején, a második olajválság idején született, amikor az egész világon, így az Egyesült Államokban is előtérbe került a gazdaságos üzemanyag-felhasználás. Erre a kihívásra válaszul született az eta motor, amely nevét arról a görög betűről kapta, amellyel a műszaki életben a hatásfokot szokás nevezni.

Az E30-as 3-asba és az E28-as 5-ösbe beépített motor a hathengeres, soros M20-as motorcsalád tagjaként látta meg a napvilágot. A család legkisebb motorja kétliteres és 120 lóerős (M20B20LE az 520i-ben) volt, legerősebbje két és félliteres és 5800/perces fordulaton 171 lóerős (M20B25 a 325i-ben). Az etát célirányos módosítások sorával az utóbbiból fejlesztették ki. Ennek egyik legfontosabb és talán legmeglepőbb lépése volt, hogy nem csökkentették, hanem növelték a lökettérfogatot. Ezt úgy érték el, hogy az eredetileg rövid löketet adó főtengelyt (furat: 84 mm, löket: 76,8 mm) hosszabb, 81 milliméteres löketű főtengelyre cserélték, amitől a lökettérfogat 2693 köbcentire nőtt.

A löket meghosszabbítása mellett hosszabb szívócsövet, más vezérlési idejű vezérműtengelyt kapott a motor, aminek a belső ellenállásait, súrlódását is csökkentették puhább szeleprugókkal, kisebb előfeszítésű dugattyúgyűrűkkel és például azzal, hogy a vezérműtengely csak négy csapágyat kapott. A változtatások miatt a motor csúcsteljesítményhez tartozó fordulatszáma - a legutolsó verziót leszámítva - 5000/perc alatt alakult, de volt olyan változat, amely 4250/perces fordulaton adta le legnagyobb teljesítményét. Ugyanakkor a nyomaték már ezres fordulaton elérte a kétliteres motor maximumát, és 3250/percnél ugyanazt a 240 Nm-es csúcsnyomatékot nyújtotta, mint az 528i és 728i M30-as sorozatú, 2,8 literes, 184 LE csúcsteljesítményű motorja.

Rugalmassága mellett az eta motor másik nagy előnye a takarékossága volt. A gyári prospektus 10-15 százalékos megtakarítást ígért, az akkori szabványos mérés szerint az átlagfogyasztást 8,4 l/100 km-ben adták meg. A valóság ettől nem állt messze, korábbi munkahelyemen az egyik munkatársam egy 325e-vel járt. (Az e betű akkor az eta motorra utalt.) Nem szép viselkedés, de irigykedtem rá miatta egy kicsit, mert a hat hengerben és a fordulatszámmérőn 4500/perctől kezdődő piros zónában a hosszú élettartam ígéretét láttam. Ráadásul, miközben az ő BMW-je hat hengerrel és129 lóerővel gazdálkodott, két literrel kevesebbet fogyasztott százon, mint az én négyhengeres, 100 lóerős 318i-m (E30-as, M10B18-as motor).

Az M20-as család erőteljesebb tagjaihoz hasonlítva az eta motor példa arra, hogy a löket hosszabbítása szerepet játszik a hatásfok javításában és a fogyasztás csökkentésében. Az elméleti magyarázat a löket hosszabbítása mögött az, hogy annál több energiát tudunk kivenni a munkaütem során, minél tovább hagyjuk dolgozni az égés során keletkezett gázokat. (A motorba az üzemanyaggal bevezetett energiának akár 20-30 százaléka is kárba vész a kipufogógázokkal.) Igazából az lenne az ideális, ha csak kicsivel a környezeti nyomás felett érne véget a munkaütem, és épp csak annyi nyomás maradna vissza, hogy a kipufogó szelep nyitásakor az égéstermékek szinte maguktól kinyomuljanak a hengerből, ne a dugattyúnak kelljen őket kinyomnia. Ehhez azonban olyan hosszú löket kellene, ami kevés motorba fér bele, de amennyire lehet, ezt lenne jó megközelíteni. De az is megoldás lehetne, ha a munkaütem lökethossza hosszabb volna a sűrítő üteménél, mert azzal is hasonló hatást lehetne elérni.

Erre, vagyis a löket virtuális meghosszabbítására már az eta motor idejében is létezett megoldás, a bajor mérnökök azonban még nem éltek vele, megelégedtek az elért eredményekkel. Holott az ötlet éppen akkoriban ünnepelte centenáriumát. James Atkinson ugyanis száz évvel korábban, 1882-ben találta fel különösen gazdaságosan működő motorját. Elgondolásának lényegét az képezte, hogy a kompresszióütemben rövidebbre vette a löketet, mint munkaütemben. Ezzel éppen a kívánt célt érte el, vagyis azt, hogy a gázoknak hosszabb út állt rendelkezésre, hogy a nyomás és hőmérséklet formájában bennük lévő energia mechanikai munkává alakuljon. Vagy másképp: a kiterjeszkedés mértéke nagyobb lehetett a sűrítés mértékénél. Apró probléma volt azonban, hogy a löketkülönbséget bonyolult, plusz két kart is magában foglaló forgattyús mechanizmussal valósította meg, ami kizárta a percenként többezres fordulatszámok elérését.

Atkinson már a maga idejében rájött arra, hogy a karrendszer kiváltható a szelepek megfelelő vezérlésével, amit az eta motor megszületése után másfél évtizeddel a Toyota vezetett be ipari méretekben első hibridjénél, a Priusnál. A megoldás annyira bevált, hogy a japán konszern azóta is ilyet épít minden hibridjébe, viseljen az akár Toyota, akár Lexus jelet. Szelepekkel úgy lehet megvalósítani az Atkinson körfolyamatot, hogy a szívószelep nem a szívóütem végén, vagyis az alsó holtpont közelében zár, hanem később. Ha egy óra számlapján akarnánk ábrázolni, akkor körülbelül úgy kell elképzelni, hogy a szívószelep nem hat óránál, hanem nyolcnál zárul be.

A késői zárás következtében a dugattyú a levegő-benzin keverék (vagy közvetlen befecskendezés esetén levegő) egy részét visszanyomja a szívócsőbe, és csak a maradékot sűríti össze. Majd utána következik a munkaütem, ami viszont a teljes lökethosszon érvényesül. Az órás példánál maradva a megoldásból adódóan a munkaütem tizenkettőtől hatig tart, és így harmadával hosszabb a sűrítésnél, vagyis máris ennyivel jobban sikerül megközelíteni az égésgázok nyomáscsökkenésével a környezeti nyomást.

Talán itt érdemes felhívni a figyelmet egy másik motorjellemzőre, ami szintén összefügg a hatásfokkal. Ez a sűrítési viszony, ami elméletileg minél magasabb, annál jobb hatásfokot jelent - egészen a motorra káros kopogásos égés kialakulásáig. Az Atkinson ciklusban dolgozó motoroknak a geometriai, azaz a motor méreteiből adódó sűrítési viszonya (az égéstér térfogatának aránya az égéstér és a henger együttes térfogatához viszonyítva), azonban jóval nagyobb lehet, mint az Otto körfolyamattal dolgozóké, hiszen a sűrítés során a dugattyú nem a teljes hengertérfogattal körülbelül egyező térfogatú, hanem annál kevesebb gázt nyom össze. A kopogás pedig valójában nem a sűrítési viszonytól, hanem a sűrítési végnyomástól függ. Így hiába 14:1 a méretekből következő sűrítési arány egy Atkinson ciklusú motorban, a sűrítési végnyomás nem nagyobb, mint mondjuk egy 12:1 sűrítési arányú Otto motorban.

A Toyota példája alapján Atkinson ciklussal a hatásfok kevéssel meghaladhatja a 40 százalékot, aminek köszönhetően 15-20 százalékos üzemanyag-megtakarítás elérhető egy azonos teljesítményű Otto körfolyamattal dolgozó motorhoz képest. Ez olyan jól hangzik, hogy mindjárt felvetődhet a kérdés: akkor miért nem ilyen minden motor? A válasz és a probléma ugyanaz, mint a BMW eta motorja esetében: a lökettérfogatukhoz képest az Atkinson ciklusú motorok gyengék. A Prius 1,8 literes motorja például 98 lóerős, miközben ekkora lökettérfogatból könnyedén ki lehet hozni 140-150 lóerőt, de némi erőltetéssel ennél jóval többet is. Motorját a Toyota nem is veti be önmagában, hanem csak elektromotorral párosítva, amivel együtt már meggyőzőbb teljesítményadatokat mutat fel.

Az Atkinson ciklus plusz elektromotor kontra Otto motor problémakörét jól szemlélteti az új Toyota Yaris példája. A hibrid változat háromhengeres, másfél literes szívó benzinmotorja Atkinson ciklus alapján működik, teljesítménye 91 LE 5500/perces fordulatnál. A hibrid rendszer elektromos gépe egy 59 kW-os (80 lóerős) villanymotor, amivel együtt 116 lóerős rendszerteljesítményt ad meg a japán márka. Ugyanazt a háromhengeres, másfél literes motort, de Otto körfolyamattal is beépítik a Yarisba, nem hibridként, hanem kézi, vagy automataváltóval párosítva. Így a teljesítménye nem 91 LE, hanem 125, mégpedig 6600/perces fordulaton. A két eltérő rendeltetés és annak megfelelő ciklus alkalmazása, annak minden következményével együtt, 34 lóerős teljesítménykülönbséget okoz. (WLTP szerint a 125 lóerős, kézi váltós Yaris fogyasztása 5 l/100 km, a hibridé 35 százalékkal kevesebb, 3,7 l/100 km.)

Nyilván annak örülnénk a legjobban, ha a gazdaságos üzemet magas teljesítményszinttel lehetne párosítani. Erre is született már megoldás. Egy Ralph Miller nevű amerikai mérnök szabadalmaztatta 1957-ben ötletét, amelynél a hiányzó teljesítményt kompresszoros feltöltéssel pótolta. Miközben a Miller ciklus alapelve (rövidebb arányú sűrítés, hosszabb kiterjeszkedés) azonos az Atkinson ciklusú motoréval, a feltöltés miatt a megvalósítás módja általában eltérő. A Miller ciklusban működő motorok többségénél a szívószelep nem jóval az alsó holtpont után, hanem jóval az alsó holtpont előtt zár. Az óra példánál maradva nem hat óránál, hanem már négynél. Mivel a keveréket nem beszívja a motor, hanem kompresszor nyomja be, a henger töltése annyival jobb lehet, mint amennyivel a környezetinél nagyobb a töltőnyomás. Ezzel együtt Miller ciklusban is igaz, hogy a munkaütem hosszabb löket mentén megy végbe (azaz a kiterjeszkedés nagyobb arányú), mint a sűrítés, és így jobb lehet a hatásfok.

Apró probléma, hogy a kompresszor hajtása energiát igényel, de erre lehetne egy megoldás, ha a motor kis terhelésnél szívó üzemmódban, Atkinson-szerű ciklusban működne, és a kompresszor csak akkor indulna be, ha nagy teljesítményigény lép fel. A másik megoldás a főtengelyről hajtott kompresszor helyett turbófeltöltés alkalmazása. Ilyen motort több autógyár is készít. Például a Volkswagen konszern EA211 evo jelzésű, turbófeltöltésű motorjai között több is akad, amelyik Miller ciklusban működik. A legjobb példa talán a négyhengeres 1.5 TSI motor, amelynek legnagyobb teljesítménye 130 lóerő, vagyis annyi, amit egy szívómotorból is ki lehetne hozni. Csakhogy a motor fajlagos fogyasztása 20 százalékkal jobb, mint egy hasonló teljesítményű Otto motoré (275 g/kWh helyett 222 g/kWh). Talán érdemes megemlíteni, hogy ezt a motort az 1,4 literesből fejlesztette a VW úgy, hogy a 74,5 mm-es furathoz képest már eredetileg is hosszúnak számító, 80 milliméteres löketet 85,9 milliméterre nyújtották. A löket és a furat aránya így 1,07-ről 1,15-re nőtt.

A takarékosság és a teljesítmény összeegyeztetésére egy további megoldás is született, szintén a VW-nél. A kidolgozója, Ralf Budack után B ciklusnak elnevezett körfolyamat a Miller és az Otto körfolyamatot békíti össze. Részterhelésnél, amikor a takarékosság a fontosabb, a motor a Miller ciklusban működik, a szívószelep már 70 fokkal az alsó holtpontot megelőzően bezár. Ha azonban a teljesítményigény kerül előtérbe, például intenzív gyorsításkor, a motor vezérlést, konkrétan vezérlőbütyköt vált és átáll Otto ciklusra, amelynél a szívószelep csak 20 fokkal zárul be az alsó holtpont előtt.

A Budack ciklust az EA888-as jelű, kétliteres, négyhengeres, turbófeltöltős motorjánál (motorkód CVKB) vetette be a VW. Teljesítménye 190 LE, legnagyobb nyomatéka 320 Nm 1450 és 4200/perc fordulat között. Ugyanebből a motorból létezik nagyobb teljesítményű, 252 lóerős kivitel is (motorkód CYRB), amely 370 Nm-es nyomatékát kicsit magasabban, 1650 és 4500/perces fordulatok között adja le. Természetesen fogyasztásban is van köztük különbség, a B-ciklusos, takarékos kivitel szabvány szerint mérve 4,9, a teljesítményre hangolt 5,6 liter benzint éget 100 kilométeren (a különbség 14 százalék).

Ezzel együtt a Miller és a B ciklusú motorok teljesítménye már nem mondható kevésnek, csakúgy, mint az elektromotorral megfejelt Atkinson ciklusú benzinmotoros Toyota hajtáslánc sem nevezhető harmatosnak. A probléma jelen esetben inkább anyagi, vagyis az, hogy a takarékosságot támogató műszaki megoldások, akár a hibrid hajtáslánc, akár a vezérlésváltás nem olcsó mulatság, vagyis többnyire az autó megvásárlásakor kell többet áldozni a takarékosságért. Ugyanezen okból nem valószínű, hogy megjelenne a nagy tömegben gyártott motorokon a vezérműtengely nélküli, elektronikusan vezérelt hidro-pneumatikus vezérlés, amellyel a legkönnyebben lehetne megvalósítani bármilyen ciklust, takarékosat éppúgy, mint teljesítményközpontút. Az ára miatt azonban alkalmazása legfeljebb olyan hiperdrága szupersport-autóknál jöhet szóba – és nem feltétlenül takarékosságra hangolva - mint a Koenigsegg Gemera.