Technika: A Mazda új soros, hathengeres dízelmotorja

Hackenbergnek azonban volt némi igazsága. Ha valaki, akkor ő ugyanis pontosan tudta, hogy előnyei mellett a dízelmotoroknak súlyos problémái is akadnak, és azok megoldása nem egyszerű. Az előnyök közismertek. Kis fordulatról masszívan húznak, ezért könnyű őket vezetni, rendkívül takarékosak és ebből következően sokkal alacsonyabb a szén-dioxid-kibocsátásuk, mint a benzinmotoroké. Annyira alacsony, hogy a német gyártók Földünk felmelegedési problémájának az egyedüli a megoldását benne látták, és erőteljesen ráfeküdtek az üvegházhatást keltő gáz kibocsátásának további csökkentésére. Gyakran érveltek azzal, hogy dízelmotoros autóik még az elektromos autóknál is kevesebb szén-dioxidot bocsátanak ki. Tegyük hozzá, ez azokban az országokban volt igaz - például épp Németországban, vagy Lengyelországban - ahol a szénerőművek miatt különösen magas szén-dioxid-kibocsátással járt együtt az elektromos áram előállítása.

Szén-dioxid kibocsátás szempontjából tehát akár környezetbarátnak is nevezhetjük a dízelmotort, csakhogy működésmódjából következően nagy arányban állít elő két igencsak barátságtalan szennyezőt. Az egyik a korom, a másik a nitrogén-oxidok. A koromképződés oka, hogy bármennyire finoman porlasztja be a fúvóka a gázolajat az dugattyú által összenyomott és felforrósodott levegőbe, a gázolajcseppek a rendelkezésre álló rövid idő miatt nem képesek a levegővel tökéletesen elkeveredni és elégni. A cseppek külső felületén lévő szénatomok a levegő oxigénjével szépen szén-dioxiddá égnek, a belső rész, a csepp magja azonban elégetlen szén, azaz – lényegében - korom marad.

A nitrogén-oxidok keletkezése szintén a dízelmotorok működésmódjára vezethető vissza. A levegő nitrogéntartalma (78%) olyankor egyesül előszeretettel a levegő oxigéntartalmával (21%), amikor egyszerre nagy a hőmérséklet és a nyomás. A modern dízelmotorok égésterében éppen ez a helyzet: a hőmérséklet ezer fok körüli, az égési csúcsnyomás pedig meghaladhatja a 200 bárt is. Ráadásul a dízelmotor nagy levegőfelesleg mellett működik, így abszolút ideálisak a körülmények ahhoz, hogy a benzinmotorokhoz képest sokkal több nitrogén-oxid keletkezzen bennük.

Akár a fekete füstölést okozó korom, akár a nitrogén-oxidok kibocsátásának csökkentésére alapvetően két módszert találtak. Az egyik a motoron belüli, amikor megpróbálják magát a káros-anyag képződést mérsékelni. A másik valamilyen utólagos szűrő felszerelése. A korom esetében ez a részecskeszűrő, ami kiszűri a kipufogógázból a kormot, majd egy regenerációs folyamat során szén-dioxiddá égeti el azt. A nitrogén-oxidok közömbösítésére pedig AdBlue néven forgalmazott karbamid oldattal működő SCR katalizátort alkalmaznak. A leghatékonyabb természetesen a belső és külső megoldás együttes alkalmazása, a modern dízelekben ez terjedt el a leginkább.

A korom motoron belüli képződését a legtöbb gyártó az égés tökéletesítésével próbálta és próbálja megoldani. Ehhez vezető lépés a befecskendezési nyomás emelése, párhuzamosan a fúvóka nyílásai számának növelésével és azok átmérőinek csökkentésével. Az immár 2500 bár körüli befecskendezési nyomás együtt a nyolcnál több, a hajszálnál vékonyabb nyílással önmagában is finomabb porlasztást és jobb égést eredményez. Ehhez jön még a befecskendezett mennyiség több adagra bontása (az újabb adag már égő közegbe érkezik), a maximális fordulatszám csökkentése (4000/percről akár 3200/percre, így több idő jut az égésre), és a dugattyúban megformált égéstér megfelelő kialakítása. Utóbbinál például rájöttek, hogy az égéstér ívelt, öbölszerű részében a legfinomabb porlasztás mellett is üzemanyagban dús keverék alakul ki, ami a koromképződés melegágya. Új, lépcsős kialakítással próbálják ennek a hajlamnak az elejét venni. (Lásd galéria!)

Ezek a megoldások azonban kizárólag részecskeszűrővel együtt képesek tisztességes munkát végezni, míg elméletileg volna olyan lehetőség is, ahol a szűrő mellőzhető. Ennek elméletét az 1915 óta a belső égésű motorokat tökéletesítő Ricardo mérnöki-fejlesztő iroda dolgozta ki bő két évtizede. Felismerésük lényege, hogy időt kellene hagyni a gázolajnak arra, hogy elkeveredjen a levegővel, méghozzá valahogy úgy, mint a szívócső befecskendezéses benzinmotoroknál szokásos. Vagyis a gázolajat nem a sűrítőütem végén, hanem jóval korábban kellene befecskendezni.

Módszerüknek nevet is találtak, ez lenne a HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition), azaz homogén keverékes kompressziógyújtású) eljárás. Apró bökkenője azonban, hogy nehéz megoldani, hogy ne idő előtt lobbanjon be a keverék, vagyis ne alakuljon ki kopogásos égés. Talán a gyakorlati megoldás nehézsége vezetett oda, hogy a Ricardo iroda ajánlására egyetlen gyártó sem reagált érdemben – kivéve a Mazdát. Mindent megtettek, amit a többiek, azon felül azonban mindenekelőtt a kompresszióviszony 14:1-re csökkentésével, majd ehhez igazodóan a szelepvezérlés, a töltőnyomás és a befecskendezés szabályozásával annyira megközelítették az elvet, hogy már az égési folyamat során töredékére csökkentették a koromképződést. A munkát ráadásul nem hagyták abba, például a dugattyúk tetejének kialakítása azóta többször finomodott, legutóbb új 3,3 literes, soros, hathengeres dízelmotorjuk esetében.

A nitrogén-oxidokat illetően a bevált recept az SCR katalizátor alkalmazása mellett a kipufogógázok nagy arányú, hűtött visszavezetését tartalmazza, a modern rendszerekben kis és nagy nyomással, azaz a turbó utáni, illetve az előtti elvezetéssel. A visszavezetés ha nem is tökéletesen, de elég hatékonyan képes csökkenteni a nitrogén-oxidoknak már a keletkezését is, mégpedig azáltal, hogy jelentősen csökkenti az égés hőmérsékletét. Ricardóék szerint elméletileg ez még tovább fokozható az égési csúcsnyomás mérséklésével. Azonban ha csupán ezt tennénk, az nyilván a teljesítmény csökkenésével járna együtt. Ezért javaslatuk úgy szól, hogy kisebb csúcsnyomást kell (időben és főtengely elfordulásban is) hosszabban fenntartani, így a két ellentétes követelmény összeegyeztethető, vagyis a kecske is jóllakik és a káposzta is megmarad.

Mindennek a gyakorlatba átültetése azonban olyan feladat, amire megint csak a Mazda vállalkozott egyedül, és – itt volt Hackenbergnek igaza – nekik sem sikerült tökéletesen megvalósítaniuk. Már Skyactiv D dízelmotor első generációjánál azt állították, hogy többek között az alacsony kompresszióviszony révén annyira sikerült megakadályozniuk a káros anyagok keletkezését, hogy nem is kell sem részecskeszűrő, sem SCR katalizátor a motorra és úgy is kielégíti majd még az amerikai károsanyag-kibocsátási szabványokat is. Ez azonban nem sikerült, a Skyactiv dízelmotort ezért nem hozták forgalomba az USA-ban. Szemben a Volkswagen Clean Diesel elnevezéssel hirdetett dízelmotorjával. Amiről 2015-ben, botrányos körülmények között derült ki, hogy a valós életben nem, csak mérés közben, a mérőpadon teljesíti a követelményeket – ez volt az a bizonyos, a dízelbotrányt és következményként a VW egész vezérkarát lefejező csalás.

Minden jel arra mutat, hogy a Mazda az új, soros, hathengeres motorjánál mindent bevetve próbálta tovább tökéletesíteni a korábbi, a Ricardo által ajánlott megoldását. Valahogy úgy, ahogy a Wankel motor esetében sem adták fel a küzdelmet, és így évtizedekkel tudták tovább gyártani az akkor már egzotikummá vált érdekes műszaki szerkezetet, mint bárki más. Új, 3,3 literes, soros, hathengeres dízelmotorjuk fejlesztése során megtartották a 2,2 literes négyhengeresnél már bevált megoldásokat, például a furat-löket viszonyt (86 x 94,3 mm).

Gondolhatnánk, hogy ezt csak azért tették, hogy ugyanazokat az alkatrészeket, például dugattyút, hajtórudat, szelepeket és függelékeit használhassák, ami olcsóbbá teszi a gyártást. Csakhogy épp a dugattyú teljesen más, ugyanis a tetején kialakított égéstér a koromképződés csökkentésére teljesen más formájú mint korábban, és az anyaga is lehet, hogy acélra változott. Ugyanakkor a 86 mm-es furatról már bebizonyosodott, hogy abba a mérettartományba esik (82-88 mm), ahol a legkevesebb káros-anyag keletkezik és ahol legjobb a hatásfok.

Mind 80 mm alatt, mind 90 mm felett kimutathatón romlanak az eredmények. Itt valóban a méret a lényeg, mint ahogy a furathoz képest hosszú löket esetében is, hiszen ez a feltétele annak, hogy az égés (kisebb csúcsnyomás mellett) és a kiterjeszkedés minél hosszabb lehessen – mindkettő elengedhetetlenül szükséges a tökéletesebb és kevesebb károsanyag keletkezéssel járó égéshez.

Érdemes talán megnézni, hogyan oldotta meg a feladványt két, a dízelmotor fejlesztésben vezető és nagy múlttal rendelkező német autógyártó. A BMW és a Mercedes a szintén hathengeres és hasonló lökettérfogatú (háromliteres) dízelmotorjainál, a B57-esnél, illetve az OM 656-osnál a Mazdáéhoz hasonló, az ideálist közelítő furatot (84, illetve 82 mm) és hosszú löketet (90, illetve 92,4 mm) alkalmaz. A kisebb koromkibocsátást célzó égéstér kialakítás mindkét motor dugattyúján megfigyelhető, különösen a Mercedesén, amely a képek alapján nagyon hasonló a Mazda lépcsős kiképzéséhez. A Mercedes dugattyúja annyiban érdekesebb a BMW-énél, hogy az alumínium blokkban futó dugattyú acélból készül, ami nagyobb teherbírás mellett könnyebb, mintha alumíniumból készült volna.

Abban azonban mindkét motor különbözik a Mazdáétól, hogy mintha kisebb figyelmet fordítottak volna arra, hogy a nitrogén-oxid keletkezését már az égésfolyamat során korlátozzák, inkább az utókezelésre feküdtek rá. Ezt jelzi egyrészt a nagyobb kompresszióviszony (BMW B57: 16:1, Mercedes OM 656: 15,5:1), másrészt a részecskeszűrő és az SCR katalizátor mérete és kialakítása. A Mercedesé különösen trükkös, mert már a részecskeszűrőt felhasználja a nitrogén-oxidok közömbösítésére. A trükk a részecskeszűrő előtti AdBlue adagolás mellett az, hogy a korom, ami lényegében szén, felhasználható a nitrogén-oxid redukálására. Ugyanezt próbálta megvalósítani több-kevesebb sikerrel például annak idején a Toyota DPNR katalizátora is.

A három motor képességei egyúttal rámutatnak arra, amibe a Volkswagen is belebukott, hogy egy motor nem, vagy csak már-már irracionális ráfordítások mellett lehet egyszerre erős, takarékos és környezetbarát. (A VW botrányos dízelei például erősek és takarékosak voltak, de csak SCR katalizátorral lettek volna környezetbarátak is. Ennek jelentős költségét spórolták meg a csalószoftverrel.) A Mazda új 3,3 literes, hathengeres motorja a műszaki megoldásaiból kiindulva nagy valószínűséggel a világ legtisztábban működő dízelmotorja szűrők nélkül is, viszont messze nem a legerősebb. Nagyobb lökettérfogata ellenére 200 és 254 lóerős kivitelben készül, miközben a BMW B57 és a Mercedes OM 656 egyformán 286 és 340 lóerővel vásárolható meg.

Ami a károsanyag-kibocsátást illeti, a kipufogó végén mérve a BMW és a Mercedes motor is rendkívül tisztán működik. Ami különbség lehet a Mazdához képest, az a részecskeszűrő gyakrabban bekövetkező regenerációs folyamata és az SCR katalizátor nagyobb AdBlue fogyasztása. Ez nem feltétlenül probléma, mindenesetre műszaki értelemben szebb megoldás, ha a káros anyagok keletkezését a képződésük helyén sikerül megfékezni, és nem utólagos rendszerekkel billentjük helyre a mérleget.

Az új, korszerű dízelmotorok mellett a Mazda újdonsága is bizonyíték arra, hogy a dízelmotor is működhet környezetbarát módon – igaz, ennek fenntartása anyagi áldozatot igényel, főként ha hosszabb futásteljesítmény után azt helyre kell állítani. Mondhatjuk jókor, hiszen egyrészt a dízelbotrány miatt akkorát esett a dízelmotorok megítélése, hogy ma szinte már lámpással kell olyanokat keresni, akik hajlandóak pénzt adni egy új dízel autóért. Másrészt közhírré tétetett, hogy 2035 után Európában nem lehet majd belső égésű motoros személyautót forgalomba hozni, így pláne nem tűnik időszerűnek egy vadonat friss fejlesztésű dízelmotorral kirukkolni.

A hiba ott lehetett, hogy amikor a Mazda a soros hathengeres dízelét fejleszteni kezdte, még nem gyűltek ennyire fekete felhők a dízelmotoros autók felett, most pedig már nem akarják elbukni a ráköltött százmilliókat. Ezzel együtt kíváncsian várom, mit is tud az új soros, hathengeres a való életben és kicsit sajnálom, hogy már nem tudom megkérdezni Herr Hackenberget, mit is szól hozzá.