A MOTOROK KIALAKULÁSA

Ma a világ legtermészetesebb dolga számunkra, hogy az utakon közlekedő autókat motor hajtja. Ahhoz azonban, hogy a lovas kocsikból a mai autó kialakuljon nagyon sok lépésen át vezetett az út. Sem az autó, sem a motor nem egy ember találmánya.

I. rész. Az Otto-motor

A “motor” latin szó (helyes kiejtéssel az első “o”-n a hangsúly), és “mozgatót” jelent. Kialakulását nagy vonalakban nézzük, tehát nem lesz szó olyan, nélkülözhetetlen alkotórészek mint pl. a fogaskerék vagy a szivattyú feltalálásáról. A belső égésű motor elvének felismerése előtt az “energiaforrást” a (az ipari forradalom óta) a gőz, illetve (sokkal később) az elektromos áram jelentette.

Az első “gépjárművet” egy Nicolas Cugnot nevű francia katonatiszt készítette 1796-ban (lényegében egy gőzmeghajtású vontatóról van szó), 1803-ban pedig az angol Richard Trevithick szabadalmaztatta találmányát (“Gőzkocsi közúti közlekedésre”). Cugnot háromkerekű monstruma már a bemutatón megbukott, Trevithick gőzkocsija azonban időnként feltűnt London utcáin (nagyobb siker, persze, ezt sem koronázta).

A XIX/XX. század fordulóján úgy tűnt, az elektromos meghajtásé a jövő. A belga Camille Jenutzy volt az első, aki a lélektani határnak számító 100 km/h-t át tudta lépni villanyautójával 1899-ben. A szép remények azonban nem valósultak meg. Elektromos meghajtású járműveket ma gyakorlatilag csak olyan helyen használnak, ahol nem kerülhet kipufogógáz a levegőbe (pl. üzemcsarnokok targoncái). A múlt század vége felé komoly próbálkozások történtek a villanyautó “feltámasztására”, de áttörést nem értek el. Hiába vezettek be ugyanis új megoldásokat (pl. lítium-ion akkumulátor) a villanyautó alapvető problémáit (kis hatótávolság, lassú feltöltés) nem tudták leküzdeni.

Amikor a “világítógázt” (a kőszenek szárazlepárlásának gáznemű termékét) gyártani kezdték, már csak idő kérdése volt, hogy mikor fog valakiben felmerülni ennek az energiahordozónak erőgépekben történő felhasználása. Ez a valaki a luxemburgi Etienne Lenoir volt. Ő alkotta meg az elő működőképes gázmotort, a kétütemű motor ősét (és az ő nevéhez fűződik a gyújtógyertya is). Bár nem volt komoly fajlagos teljesítménye (mert a gyújtás előtt nem sűrítették a gázelegyet), komoly sikert aratott, kialakítva a “gázmotoripart”, ami a mai autóipar előfutárának tekinthető.

Végül azt a kérdést, hogy a közúti járművek hajtására gőzt, áramot vagy folyékony üzemanyaggal meghajtott dugattyús motort használjanak-e, egy német és egy francia döntötte el. A francia vasúti mérnök, Alphonse Beau de Rochas dolgozta ki elsőként a négy ütemből (szívás, sűrítés, robbanás [munkaütem], kipufogás) álló ciklust, amit hazájában szabadalmaztatott, de amiről a később említendő tényleges megalkotó nem tudott. Mivel azonban de Rochas a szabadalmában leírt elven működő berendezést nem készítette el, adós maradt elmélete gyakorlati igazolásával.

Itt jön képbe egy kereskedelmi utazó, Nicolaus August Otto, aki felismerte, hogy Lenoir motorjának sokkal több alkalmazási területe lenne folyékony üzemanyaggal (a motor nem lenne gázvezetékhez kötve). Hamarosan szabadalmi kérelmet nyújtott be a porlasztásra (karburátor), de ezt elutasították, mert léteztek már hasonló megoldások. Otto 1861-ben olyan motort tervezett, mely Lenoir gázmotorján alapul, de négyütemű ciklusban üzemel. De a gyakorlatban gondjai voltak, ezért kifejlesztette annak kétütemű változatát. Tőkés társat keresett, és talált (Eugen Laugen), akivel kis gyárat létesítettek, és tökéletesítették a kétütemű motort. Ez a konstrukció aranyérmet nyert a párizsi világkiállításon 1867-ben. 1872-ben szerződtettek egy kiváló mérnököt, bizonyos Gottlieb Daimlert. És bár az üzlet jól ment, Ottonak meggyőződése volt, hogy az igazi megoldás a négyütemű motor lenne. 1876-ban sikerült kifejlesztenie azt a gyújtási módszert, ami működőképessé tette a négyütemű motort (és gazdag emberré tette Ottot). Sok éven át folyamatosan szabadalmi perben állt De Rochas-val (sőt egy Christian Reithmann nevű órással is, aki szintén a készülék feltalálójának mondta magát). Végül a bíróság azt állapította meg, hogy Otto a négyütemű motor feltalálója, mivel a többiek csak elgondolásokkal rendelkeztek, míg magát a működő, vizsgálható és diagnosztizálható motort ő építette meg a világon elsőként.

A motorgyártás kezdetekor a megbízható üzemelésre helyezték a fő hangsúlyt, ezért mindenekelőtt egyhengeres motorok készültek. Fennmaradt ugyan egy rajz egy négyhengeres (“boxer”) motorról, de ez nem készült el. Az első “többhengeres” motort Daimler és főmérnöke, Wilhelm Maybach készítették 1889-ben (egy kéthengeres motorról volt szó, ahol a hengerek “V” alakban voltak elrendezve).

150 év telt el azóta, hogy Otto (az időközben róla elnevezett) üzemképes motort elkészítette. Kinézetre egy mai motor nem is emlékeztet korai ősére, az elv azonban nem változott. Két új belső égésű motor jelent meg az idők folyamán; az egyik Rudolf Diesel, a másik Felix Wankel nevéhez fűződik. A Diesel-motorról mindjárt részletesebben lesz szó (a mai befecskendezéses benzinmotorok abban az értelemben hasonlítanak a Diesel-motorokra, hogy első ütemben nem egy levegő-benzingőz elegyet szív be a motor, hanem cseppfolyós benzint fecskendeznek a hengerbe). A (“bolygó dugattyús”) Wankel-motor merőben új megoldása ellenére (minden ütem munkaütem, míg a négyüteműnél csak egy az) magas üzemanyag- és kenőanyag-fogyasztása miatt nem terjedt el. A korszerű (“sugárhajtású”) repülőgépeket kerozin (olajlepárláskor a benzin és a gázolaj között elhelyezkedő petróleum finomított változata) üzemelteti. A sugárhajtómű azonban “több mint motor”: a motor és a hajtóberendezés kombinációjának tekinthető, mert a sugárhajtóműben alakul át a kerozin kémiai energiája mozgási energiává, és a mozgatáshoz szükséges tolóerő is itt keletkezik.

Mint az előző Havi Jelentésben olvasható volt, most van 100 éve, hogy (meglehetősen furcsa körülmények között) meghalt Rudolf Diesel. Ez alkalomból a főtitkár egy kétrészes összefoglalót készített, melynek első része az Otto-motor kialakulásával foglalkozott. A második részben a Diesel-motor kialakulásával foglalkozunk, melyről feltalálója – mint látni fogjuk – halála napjáig azt hitte, hogy a gőzgép konkurensét készítette el.

II. rész A Diesel-motor

A mai mobilitás kialakulásában a másik főszereplő élete (ideértve halálát is) sok minden volt, csak szokványos nem. Rudolf Diesel – bajor bevándorlók gyerekeként – Párizsban született 1858-ban. Mikor a család fel akarta venni az állampolgárságot, kitört a porosz-francia háború (1870), és el kellett hagyniuk az országot. Londonba költöztek, ám Rudolfot nemsokára Augsburgba küldik unokatestvéréhez, hogy ott folytassa tanulmányait. Nagyon jó tanuló lehetett, mert két évvel a szokásos beiratkozási kor előtt ösztöndíjjal felvették Münchenben a “műszaki egyetemre”, (ahogy akkor hívták: “Polytechnikum”, mert ebben a korban nem egyetemnek nevezték a mérnökképzés intézményeit). Francia és angol nyelvtanításból tartotta el magát, de szorgalmasan is tanulhatott, mert 1880-ban olyan eredménnyel kapott gépészmérnöki diplomát, amit addig még senki sem ért el. (Egyébként szülei tiltása ellenére lett gépészmérnök.)

Az egyetem ajánlólevelet adott neki a Maschinenfabrik Augsburg Nünberghez (M.A.N.) és a svájci Sulzerhoz, akik közös irodát akartak nyitni Párizsban. Az ifjú Diesel hamarosan ennek az igazgatója lesz. Felismerte, hogy az alacsony hatásfokú gőzmotorok helyett más erőgépet kellene alkalmazni. Franciaországban eredménytelenül kísérletezett egy ammóniával működő zártciklusú motorral, majd mikor munkája folytatására Berlinbe küldték, irányt változtatott, és a Carnot-körfolyamaton alapuló öngyújtó motort kezdte tanulmányozni. Első kísérleteit szénporral végezte, de hamar felhagyott vele, és célja egy olyan folyadék megtalálása volt, amely nagy nyomáson a légtérbe fecskendezve, magától meggyullad. A M.A.N. által finanszírozott kutatások 1897-ben vezettek eredményre. Diesel motorja mogyoróolajjal működött, és szívesen hangoztatta a növényolajok alkalmasságát motorhajtás céljára. Még annyit érdemes megemlíteni róla, hogy 1913-ban (egy évvel az I. világháború kitörése előtt) egy átkelőhajóról az éjszaka közepén a La Manche csatornába kerül. Hogy véletlenül beleesett, vagy belökték a tengerbe, titok marad. Egyesek szerint a német titkosszolgálat állt a háttérben (hogy Diesel találmányai ne kerülhessenek a potenciális ellenség kezébe), más összeesküvés-hívők az olajiparra gyanakodnak (mert Diesel a növényolajat preferálta hajtóanyagként).

Diesel fantáziáját már egyetemista korában megragadta a Carnot körfolyamat (Sadi Carnot francia fizikus volt az első, aki matematikailag leírta a gázok sűrítése/expanziója és a hozzá tartozó munka kapcsolatát). Felismerte, hogy ezen az elven lényegesen jobb hatásfokú berendezést lehetne készíteni, mint a gőzgép vagy az (akkor még gyermekcipőben járó) Otto-motor, és 1893. február 23-án szabadalmi kérelmet nyújtott be (“Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungs-kraftmaschinen”).
Szemben az Otto-motorral, ahol benzin/levegő elegy érkezik a motorba, és ott szikra hatására meggyullad, Diesel kompresszióval (sűrítéssel) annyira akarta felmelegíteni a levegőt a hengerbe, hogy a bejuttatott üzemanyag magától meggyulladjon.
Eredeti elképzelése 250 atmoszféra volt, amit később 80 atmoszférára csökkentett, de még ez is túl soknak bizonyult.

Első működőképes motorja 35 atmoszférán üzemelt. A fő gondot azonban az üzemanyag befecskendezése jelentette. Bonyolult megoldásokat alkalmaztak, és a motorok kezdetben igen nagyok voltak.
(Diesel haláláig úgy gondolta, hogy nem az Otto-motor, hanem a gőzgép konkurensét alkotta meg.) Ezt a problémát csak 1922-ben oldotta meg Robert Bosch egy befecskendező szivattyúval, és ez tette lehetővé (súly- és méretcsökkentés útján), hogy a Diesel-motorok autóba kerüljenek, és ezzel megkezdjék hódító útjukat a közlekedésben.

A négyütemű Diesel-motor működése hasonlít az Otto-motoréhoz. Az első ütemben a hengerben lefele mozog a dugattyú, a szívószelep kinyit, és levegőt szív be (a karburátoros Otto-motor benzin/levegő elegyet). A második ütemben a szelepek zárva, a dugattyú felfele halad, miközben a levegő 700-900oC-ra melegszik (30-60 atmoszféra), és a sűrítés végén befecskendezik az üzemanyagot (a 10 atmoszféra körüli értékre sűrítő Otto-motorban már a szívó ütemben bekerül az üzemanyag). Ez egyben a harmadik ütem kezdete, mert a befecskendezett üzemanyag magától (az Otto-motorban szikra hatására) meggyullad, és az égéstermékek nyomása lefele mozdítja el a dugattyút, miközben mindkét szelep zárva van. A negyedik ütem azonos, a dugattyú felfele halad, a kipufogó szelep kinyit, és az égéstermékek távoznak a hengerből.

A két konstrukcióban az égés folyamatában van néhány lényegi eltérés:
– az Otto-motor esetében az égésfolyamat állandó térfogaton történik, és az égés egy “külső” gyújtás indítja el;
– a dízelmotor esetében az égés állandó nyomáson történik, és az égéstérbe befecskendezett tüzelőanyag (gázolaj) öngyulladása következtében indul el;
– az Otto-motorok kompresszió-viszonya 8-11;
– a Diesel-motoroké pedig 16-24 (ennek megfelelően a kompresszió ütem végén a nyomás az Otto-motor esetében 10-15 bar, a Diesel-motor esetében pedig 30-50 bar).

A Diesel-motoros járművek lassan terjedtek (az Egyesült Államokban 1931-ben jelent meg az első ilyen teherautó – de azt Indiában gyártották). Bár jobb hatásfokuk volt, mint benzines társaiknak, de a rossz lökettérfogat/teljesítmény arány és a kényelmetlen üzemelés (zajos, lomha) miatt elsősorban teherautókban és buszokban alkalmazták. Ez a helyzet a 90-es évek közepén az ún. common rail (“közös gyűjtőcső”) technológia elterjedésével változott meg, amivel a Diesel-motorok az Otto-motorok vetélytársaivá váltak. Annyira, hogy az elmúlt tíz évben Európában több “gázolajos”, mint “benzines” autót gyártottak.

A Diesel-motor alapvető előnyei az Otto-motorral szemben a következők:
– nagyobb termikus hatásfok a nagyobb kompresszió-viszony következtében;
– Az Ottó-motornál részterhelés esetén fellépő a fojtószelep okozta fojtások miatti töltéscsere veszteségek a dízelmotornál elmaradnak.

A felsorolt hatásfok előnyök következtében a személygépkocsi dízelmotorok fajlagos tüzelőanyag fogyasztása átlagosan 25-27 %-kal kisebb a benzinüzeműekéhez viszonyítva. Ez az oka annak is, hogy nehézgépjárművek esetében kizárólagosan a dízelmotort alkalmazzák erőforrásként.