Amikor a motortechnika mechatronikai történetéről tartok előadást, tehát arról, hogy a gépészeti rendszerek irányítását miként veszik át szoftverek, érzékelők, beavatkozók, felteszem a kérdést: mely rendszerekre tette már rá a „kezét” az elektronika. Mindenki mondja, hogy a gyújtás, a benzines és dízel befecskendezés, ezzel együtt a légtömegmérés, a lambdaszonda. Mondják a vezérlést, a bütyköstengely fázisállítását, a szelepemelést változtató rendszereket, a flexibilis vezérléseket. Kis segítséggel sorolják az olajszivattyút, a vízpumpát, ezekkel együtt a kenést, az ún. termomenedzsmentet. Egy szerkezetet nem említenek (joggal!), a forgattyús mechanizmust. A forgattyústengely, a forgattyúkarok, a hajtórúd és vele a dugattyú járja a maga útját, hol gyorsabban, hol lassabban, sok százmillió motorban pontosan úgy, ahogy megtervezték. Egy konstrukció sem tudta egyeduralmát megdönteni, pedig sokan próbáltak helyettesítő mechanizmusokat kitalálni. Talán csak Wankel úr kavarta meg kicsit ezt az állóvizet.

Technikai korszakhatár

A változtatható kompresszió viszonnyal a dugattyús belső égésű motor üzeme felett az irányítást a mesterséges intelligencia teljes mértékben átvette. Egyszerűbben fogalmazva a motor (és sok más gépjárműszerkezet) „buta vas”, ha nem irányítják (vezérlik, szabályozzák). Önmagában működésképtelen. Használhatunk nagy szavakat és ez nem túlzás: azzal, hogy a motor a kompresszió viszonyát is változtatni tudja programja parancsára, technikai korszakhatárhoz értünk.

Nem tudok olyan, a közelmúltban (ez jó 30 év) és napjainkban bevezetett műszaki újdonságról, kezdve a szelepvezérlésnél, a változtatható olajszivattyún és vízpumpán át, a CR-en és a közvetlen benzinbefecskendezésen tovább haladva a kompresszió viszony változtathatóságig, mely megoldásoknak a technikatörténetben ne lennének elődei. Az akkori ötletek, szabadalmak jobbára a mechanikai megoldásokat és vezérlést alkalmaztak, tiszavirág élethosszukat a versenysportban és speciális felhasználásokban élték meg. Mind ezek a többségében bonyolult megoldások az elektronikus irányítással váltak életképessé, és a környezetvédelem okán kellett, kell és még fog kelleni alkalmazni a szériagyártásban.

A kompresszió viszony

A sűrítési arány, vagy kompresszió viszony (ε) térfogati mutató. A dugattyú alsó holtponti helyzetében a felette lévő teljes térfogat (tehát a lökettérfogat (V₂) és a felső holtponti dugattyúhelyzetben a felette lévő térfogat, mondhatjuk égéstér térfogatnak is, V₁) és az égéstér térfogat viszonya. Azt mondja meg, hogy hányad részére sűríti a hengertöltetet.

ε = (V₂ + V₁) / V₁

Ez geometriai térfogati viszony, nincs köze ahhoz, hogy a szívószelep például mikor zár. Beszélünk tényleges sűrítési viszonyról is, amely zárt térfogatok viszonya. Ha a szívószelep az AHP után zár, a tényleges sűrítési arányt csak a szelepzáráskor a dugattyú feletti tér értékével számítjuk ki. Ma erről a Miller, illetve Atkinson ciklusok okán gyakran esik szó.

Tudjuk, hogy a dízelek általában nagyobb kompresszió viszonyúak, mint az Otto-motorok. Ez ma már személygépkocsi dízeleknél csak hellyel-közzel igaz, mert a nagy kompresszió csak a dízelek indításához szükséges. Ha jó az izzítás, és ma már 2-3 másodperc alatt közel 1000 °C is az izzógyertya hőmérséklete, már nem kell a nagy sűrítési végnyomás és így a nagy hőmérséklet.

Van motorcsalád, ez a Mazda Skyactive dízel és benzines, ahol azonos értékű a sűrítési viszony (a 14:1 érték az Otto-motornál igen nagy, a dízelnél igen kicsi…).

Azt is tudjuk, hogy a sűrítési aránnyal növelhető a motor hatásfoka, de csak egy határig. Nagy értékénél már a súrlódás jelentősen megnő, nem is szólva a nem megengedhető csúcsnyomásokról. A turbós benzines kompresszióját általában vissza kell venni, hacsak nem alkalmaznak például változtatható kompresszió viszonyú forgattyús mechanizmust.

Mi az a VCR?

Tehát az utolsó meghódítandó gépészeti egység a forgattyús mechanizmus, abban is a változtatható kompresszió viszony realizálása. Ennek az angol műszaki neve Variable Compression Ratio, általánosan használt rövidítése VCR.

A feltalálók kifogyhatatlanok ez irányú ötleteikből, ha szellemes szerkezeteik működnek is, velük mindig az a baj, hogy túlzottan bonyolultak és/vagy nagy a súrlódásuk, illetve tömeggyártásra alkalmatlanok.

A katonai felhasználású gépjárművek dízelmotorjainál készültek ilyen motorok. Az ún. mindenevő dízelek, melyek akár még a nyers kőolajat is megették, és ha még nagy hideg is tetézte az üzemi feltételeket, a motor beindításához a sűrítési végnyomást tetemesen kellett növelni. Ha már járt a motor, vissza kellett venni a kompresszióviszonyt. Akkor ezt úgy oldották meg, hogy a dugattyúkoronát a dugattyúcsaphoz viszonyítva emelték vagy süllyesztették.

Sokan tudják, hogy ún. oktánmotorok (CFR, BASF), melyek a benzin oktánszámának meghatározására szolgálnak, változtatható kompresszió viszonyúak. A hengerblokk emelhető, illetve süllyeszthető a forgattyúházhoz viszonyítva. Ha a kopogásos égés elért egy intenzitás szintet a kompresszió viszony növelésével, akkor állapították meg az adott motorbenzin oktánszámát (az eljárás természetesen ennél jóval bonyolultabb).

SAAB próbálkozás

Az időben nem kell olyan messzire visszamennünk, hogy a SAAB hengerbólintó motorjára (SVC) rátaláljunk. A prototípusnál szintén a hengerblokk volt kvázi független a forgattyúháztól. Ha a hengereket kissé megdöntötték a forgattyúházhoz képest, lecsökkent a kompresszióviszony. Az eredendően USA-szabadalomnak a sorozatgyártásba való bevitelét a GM parkolópályára tette, amikor a SAAB autógyárat átvette.

A Porsche a FEV intézettel együttműködve hajtórúdhossz változtató hidraulikus megoldással jelentkezett.

Igen érdekes konstrukciót fejlesztett az MCE-5 DEVELOPMENT S.A. nevű, franciaországi központú, autóipari fejlesztő vállalat. Motorjuk metszeti képe alapján nehéz a működést megérteni, szerencsére nagyszerű animációt is találhatunk a cég oldalán. Ebből különösen az 1:55 – 2:35 időintervallum az érdekes.

A változtatható kompresszió viszony a turbótöltött motoroknál kényes kérdés. Amikor a töltő nem, hogy nem szállít, hanem még fojt is, kell a nagy sűrítési végnyomás. Ha rendesen tölt, a korábbi kompresszió viszonnyal már olyan égési csúcsnyomást érünk el, amely „leemeli” a hengerfejet, tehát csökkenteni kell.

A mai szempontok mások

Minden a hatásfoknövelésnek (ezzel a fogyasztás- és a szén-dioxid-csökkentésnek) van alávetve, miközben a kipufogógáz-tisztasági előírásoknak is meg kell felelni, nem szólva arról, hogy az autónak mennie is kell.

A benzinesek állandó keverék-összetétellel üzemelnek, ez az a bizonyos lambda egyenlő egy, tehát részterhelésnél a hengertérben lévő töltetmennyiség kevesebb vagy több, a nyomatékigénynek megfelelően. Kis mennyiségnél jó a nagy kompresszió viszony, nagy mennyiségnél pedig a kicsi. Ez a változtathatóság sokat hoz a konyhára!

Nissan, az első

A Nissan 1998 óta fejleszti, elsőként az Infiniti prémiummárka kínálatában jelenik meg VCR motorja. 2018-ban a GX80-ban debütál, az Infiniti 3,5 literes V6-osát váltja le. Az idei Párizsi Autószalonon mutatják be a szakmának, a nagyközönségnek. A változó sűrítésű motor alapötlete az 1920-as években született meg, Mint mondtuk, voltak elődök, próbálkozások, prototípusok már, de komoly darabszámú szériagyártásba még egy sem került.

Ezzel a megoldással – olvassuk a sajtóközleményben – nemcsak nagy teljesítményt (a sajtóhírekből átvéve: a motor csúcsteljesítménye 270 lóerő, maximális forgatónyomatéka 390 Nm körül lehet) lehet elérni, a fogyasztás is alacsonyan szinten marad. A Nissan szerint az új motor 27 százalékkal takarékosabb egy átlagos benzinesnél, vagyis a fogyasztása nagyjából egy kétliteres dízel szintjén mozog.

A Nissan motorjánál a sűrítési viszony változtatása 8:1 és 14:1 között lehetséges úgy, hogy a hagyományos forgattyús hajtómű megmarad, a motor löketét nem kell megváltoztatni, de a forgattyúcsap kétkarú himbát (multi link) kap. A himbakar egyik végéhez csatlakozik a hajtórúd, a másik végéhez az állítómű vonórúdja. Ha ennek a pontnak a helyzetét megváltoztatják, változik a dugattyúemelés, ezzel a kompresszió viszony. Az állítómű villanymotor, mely hullámhajtóművön (harmonic drive) keresztül avatkozik be. Nissan alábbi vázlata sejteti a működést, az interneten talált animáció sajnos nem az igazi, bizonyára hamarosan megérkeznek a részletező műszaki leírások is.

Konkrétan tudjuk, hogy a nagy autógyárak fejlesztési részlegeinek fékpadjain már egy ideje futnak a változtatható kompresszió viszonyú motorok. Azt, hogy ki melyik gépészeti megoldást fogja alkalmazni (melyeket külön-külön ismerünk), még titok övezi. Egy biztos, hamarosan mindenki kilép a nyilvánosság elé az ilyen motorjával, és meg fog kezdődni ezek sorozatgyártása is. Közel van 2020, amikortól drasztikusan kell a motorfogyasztást csökkenteni.

Dr. Nagyszokolyai Iván
Az Autótechnika folyóirat főszerkesztője
Az Autótechnika cikkarchívumában, több évre visszamenően, az előfizetők a fenti megoldásokról, prototípusokról elemző írásokat olvashatnak (www. autotechnika.hu)