A motor energiamérlege és hatásfoka

Csak akkor tudjuk elmagyarázni, hogy miért is fogyaszt annyit, amennyit a belső égésű motor, illetve az ezzel hajtott autó, ha tudjuk, hogy az energiát mire kell fordítani, és hogy az milyen mértékben hasznosul. Cikksorozatunkban azt vizsgáljuk, hogy valóban van-e esélye az Otto-motornak (benzin-motornak, szikragyújtású motornak), hogy nyomatékosságban és fogyasztásban felvegye a versenyt a mai dízelekkel. Az előző részében a 4-ütemű Otto-motor munkaciklusát taglaltuk abból a szempontból, hogy valóban van-e alternatívája. A kérdésfelvetésnek az adott alapot, hogy az elmúlt években megjelentek olyan hírek, hogy ezek a motorok már Miller és Atkinson urak megalkotta ciklus szerint működnek. A kérdést megválaszoltuk! (Aki csak most kapcsolódik be e témánkba, tisztelettel javaslom, olvassa el az előző részeket!). Térjünk vissza a motor energetikájára és tegyük azt a megértés miatt szemléletessé!

Egy gőzgép energiamérlegét 1898-ban, egy hosszúnevű, ír nemzetiségű úr, Matthew Henry Phineas Riall Sankey ábrázolta először diagramban. A Sankey diagramot a műszaki életben ma is nagyon gyakran használják, a belső égésű motorok energiafolyamát is nagyon szemléletesen mutatja.

A tüzelőanyag kémiailag kötött energiája az égésfolyamatban szabadul fel és alakul át – sajnos csak kis hányadban – mechanikai munkává. Tudjuk, hogy energia nem vész el, csak átalakul, így hát jogos a kérdés: mi lesz a többivel. Az 1. ábra szerint a motorba a tüzelőanyaggal bevezetett 100 egységnyi energia, legyen ez praktikusan %-os megoszlás, 20%-a jut a motor lendítőkerekére. Mire az autó kerekére lejut és vonóerő lesz belőle, sajnos ez még tovább csökken. Ezt az értéket egy részterhelési munkapontban kapjuk, ennél lehet kicsivel több is és sajnos jóval kevesebb is. A kémiai energia égéssel (nem robbanással!) a hengertéri levegő hőmérsékletét megnöveli, ezzel a levegő (és égéstermékek) nyomását megemeli. A gáznyomás hat a dugattyúra, azt elmozdítja és a forgattyús mechanizmuson át forgató nyomatékot hoz létre. A motorban létrejövő munka az ún. indikált munka. A motor teljes üzemi ciklusát kell tekintenünk energia áttekintésünkben, tehát mind a négy ütemet. Ebben többnyire munkaigényű mozzanatok vannak: a friss töltetet be kell juttatni a hengertérbe, majd össze kell sűríteni és ki is kell tolni onnan. Ezek mind-mind benyújtják az energia „számlát”. Miután a löket véges, az expanzió (munkaütem) nem tart addig, hogy a gáz a környezeti hőfokig lehűljön, ezért még komoly hőenergiatartalmú gázt kell sajnos kieresztenünk. (Ha valaki komoly energetikai ismeretekkel bírva olvassa rövid ismereterjesztő eszmefuttatásunkat, kérjük, ne írjon, miszerint hőenergia, mint olyan, nincs. Ezt mi is tudjuk, de a gyakorlatban – sokakkal együtt – használjuk és tudjuk, mit kell alatta érteni.)

Szóval sok energia távozik a kipufogógázzal.

A másik veszteségcsoportot a hűtés jelenti. Mivel a motor égésterét, hengerterét határoló szerkezetek „hőállósága”, nem szólva a motorolajról, véges, ezért azt hűteni kell. Ez hőt visz el a gázból, ami nem tudja a gáznyomást növelni.

Az indikált munka egy részét a mechanikai veszteségek, a súrlódás legyőzésére kell fordítani, és a segédberendezések hajtására. Például a motor vezérlését, az olajszivattyút, a hűtőközegszivattyút stb. hajtani kell, nem kis munkát kell erre fordítani. Vannak még veszteségek, a nem tökéletes égésből, disszociációból, sugárzásból kifolyólag. Ezeket az ágakat látjuk a Sankey diagramból.

Mivel a veszteségek nagysága függ a motor terhelésétől, ezért vagy sok Sankey-diagramot kellene egymás mellé raknunk, vagy egy másik ábrázolási módot keresnünk. Egy ilyen összetett energiamérleget mutatunk a 2. ábrán.

Logikus, hogy a mechanikai munkaterület (6), illetve ennek megfelelő energiahányad alakulása, hiszen ha a motoron nincs effektív terhelés (0%), akkor a bevezetett energia a motor működésének önfenntartására fordítódik, míg 100%-os terhelésnél adja le a motor a legnagyobb mechanikai munkát. A töltetcsere veszteség (5) azért csökken le jelentősen, mert nagy terhelésnél a fojtószelep fojtása már csekély. Az ábra értelmezéséhez a színek is segítenek.

Az „autótechnika autósoknak” nem az a „műfaj”, ahol mérnökurakat képzünk, ezért a veszteségcsökkentés lehetőségeibe bele sem merészkedünk. (Az Autós Nagykoalíció szervezte akadémián már elhangzottak erről nagyszerű előadások, például Kisdeák Lajostól!)

A 3. ábra reális, 30%-os energiatakarékosságot vetít előre a Nissan közlése szerint. Az 1-es ábrához hasonlíthatjuk, hogy az egyes veszteségágakon mennyit lehet megtakarítani.

A motor energiaátalakítását – az autósember számára jobban foghatóan a fogyasztását – hatásfok mutatókkal írjuk le. Összefoglalóan az effektív hatásfok mutatja meg, hogy milyen az erőgépünk energiaátalakítása. Az effektív hatásfok minden részt egybefoglal: a bemeneti energiát viszonyítja a motor által (a lendítőkerék síkon) leadott mechanikai munkához. Valóban ez a lényeg, de azt tudni kell, miért ennyi, mi okozza, hogy éppen csak ennyi. A belső égésű motor üzemi (terhelési) jellemezőjében pontról-pontra változik az effektív hatásfok értéke, tehát arról nem beszélhetünk, hogy egy adott motornak mennyi a hatásfoka. Azt kérdezhetjük és van is rá válasz, hogy egy motornak mennyi a legnagyobb (legjobb) hatásfoka. Az is értelmes kérdés, hogy egy adott hatásfoknál jobb hatásfokú értéktartomány mekkora területet foglal-e a teljes jellegmezőben. Ennek ábrázolására szerkesztik meg a motor fajlagos effektív tüzelőanyagfogyasztási jelleggörbéit a motor terhelési jellegmezőjében. Ez a sokak által ismert fogyasztási kagylógörbe. A gyártók általában – szigorúan szabványok szerint felvéve – megadják, de nem prospektus információ. A fajlagos fogyasztási izogörbék (izogörbe azt jelenti, hogy a görbe mentén egy (motor) tulajdonság állandó, esetünkben a fajlagos fogyasztás [g/kWh]), azért érdekesek a hatásfok szempontjából, mert a fajlagos fogyasztás reciprok értéke az effektív hatásfok. Logikus is ez, mert ahol a legkisebb a fogyasztás, ott a legnagyobb a hatásfok a motor jellegmezőjében.

Szakembernek sokat mond a kagylódiagram a motor jóságáról, mind az értékeket, mind az izogörbék elhelyezkedését illetően.

Mi most ezt az autó fogyasztásra fordítjuk le!

A gépkocsi haladásához, menetellenállásai leküzdéséhez motormunkát, illetve teljesítményt kér a motortól. A motor adja, de több nyomaték-fordulatszám pár mellett, tehát több munkapontból is tudja adni ugyanazt a teljesítményt. Természetes az, hogy abból a munkapontból kérjük, ahol a legjobb a fogyasztás.

Ennek egy komoly akadálya van, és ez a sebességváltó. A fokozatokkal bíró váltó – legyen kézi vagy automatikus – ha csak nem „száz” fokozatú, nem fogja kiválasztani a gépjármű hajtásához a mindenkori legjobb hatásfokú motorüzemi pontot. A mai kéziváltók között már sok a 6 fokozatú, a kétkuplungosak között pedig a 7 fokozatú, és ez nagyon jó a fogyasztás szempontjából. A hidromechanikus váltóknál pedig már sorozatgyártásúak a 9 fokozatúak. Ezekkel lehet igazán takarékoskodni. Az igazi azonban az lenne, ha végtelenfokozatú, azaz fokozatmentes lenne a váltó. Ilyen van. Ma a legismertebb és sokak által használt a CVT. A CVT „agya” ki tudja választani az optimális motorüzemi pontot. A 4. ábra ezt mutatja.

A kagylódiagramba rajzolt karakterisztika mentén működik a motor, a váltó ide helyezi a munkapontokat. A karakterisztika pontsora a fordulatszám függvényében a helyileg legjobb hatásfokú pontokat köti össze.

Tehát az adott menetellenállású autó fogyasztását természetesen a jó fogyasztási jellemzőkkel bíró motor, és ami legalább ennyire fontos, egy sokfokozatú vagy fokozatmentes váltó határozza meg.

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(a témához kapcsolódó további szakmai cikkek az Autótechnika folyóiratban, illetve a http://autotechnika.hu oldalon olvashatóak.)