Forgó hengerfejes motor? A hitetlenkedőknek: Zachariás István megcsinálta!
A magyarázat előtt egy definíció: „A hengerfej zárja le a dugattyú feletti teret, az ún. égésteret. Kialakítása függ: a motor működési módjától, a szelepek elhelyezésétől és az égéstér alakjától. Az égési tér alakja nagy befolyással van a motor gazdaságosságára, teljesítményére, tüzelőanyag-fogyasztására” – Dr. Molnár Tamás Géza, Pappné Dr. Sziládi Katalin: Járműtechnikai alapismeretek – Szegedi Tudományegyetem.
Borítóképen: Zachariás István és a motor sematikus rajza
Biztosan lesznek, akik azt mondják a következő pár mondatot olvasva, hogy ezt igazán nem kellett volna leírni, mert triviális. Ennek ellenére most mégis bemutatjuk a négyütemű Otto-motor (benzinmotor) működését, mert ezt kell kiindulási alapként bemutatnunk, hogy aztán tovább lépjünk, és bemutassuk azt, hogy hol van az a pont, ahol a zseniális magyar mérnök addig nem látott megoldással élt.
Az alábbi ábra mutatja meg a négy ütemet, melyek közül számunkra a első ütem (szívás), illetve a negyedik ütem (kipufogás) a legfontosabb:
Fordított sorrendben;
- A kipufogás során az alsó holtpont (AHP) előtt nyit a kipufogó szelep. Az égéstermék egy része a nyomáskülönbség hatására ezen keresztül a szabadba távozik, majd az AHP-ból a felső holtpont (FHP) felé tartó dugattyú a maradékot kitolja a szabadba.
- A szívás során a FHP irányából az AHP irányába mozog a dugattyú. A hengertérbe a nyitott szívószelepen keresztül benzin levegő keverék áramlik be.
Azért emeltük ki ezt a két ütemet, mert bár ezek egyike sem úgynevezett munkavégző, mozgási energiát termelő ütem (az a harmadik, a terjeszkedés üteme), de döntő hatással van a két másik ütemre. Nem is gondolnánk mennyire!
A két kiemelt ütem legfontosabb feladata nem más, mint hogy a lehető legpontosabban beállított benzin-levegő arányú keverék kerüljön az égéstérbe, illetve az, hogy a terjeszkedés során visszamaradt égéstermékeket minél tökéletesebben eltávolítsa a hengerből. Mert bizony ez a kettő összefügg; ha nem ürülnek tökéletesen az égéstermékek;
- a legpontosabban beállított benzin-levegő keverék sem lesz tökéletesen ideális keverék,
- a forró égéstermékek felmelegítik a befecskendezett benzin-levegő keveréket, ami már ekkor tágulni kezd, így pedig csak elég korlátozottan emelhető a kompresszió, vagy
- ha magas kompressziót alkalmaznak, akkor a benzin-levegő keverék szabályozatlanul (túl korán) robban be (előgyújtás), ami nem csak a hatásfokot rontja, de a motor élettartamát is jelentősen rövidíti.
Márpedig a fent ismertetett négyütemű motor működése nem tökéletes, a kipufogás során visszamaradnak égéstermékek!
Ez tehát az első, és igen fontos tény, amit meg kell jegyezni mielőtt még folytatnánk. És akkor most egy újabb olyan rész következik, ami talán elsőre triviálisnak tűnik, de témánk okán mégis fontos említenünk. Ez pedig nem más, mint hogy mitől függ egy motor hatásfoka!
- Volumetrikus hatásfok: A belsőégésű motorok alapvetően volumetrikus jellegűek, ugyanis a forgó mozgást periodikusan változtatott térfogatból (a dugattyú és a hengerfej közti térfogat változása a dugattyú le- és felmozgása okán) nyerjük. A térfogatváltozássorán is keletkeznek veszteségek, ezeket a veszteségeket pedig a volumetrikus hatásfokkal jellemezzük.
- Termikus hatásfok: A termodinamikában a hőerőgép által végzett munka és felvett hő hányadosa. Értéke 0 és 1 között lehet (de ez utóbbi csak elméletileg lehetséges legnagyobb termikus hatásfok!). A gépkocsik motorjának termikus hatásfoka megközelítheti a 0,5 értéket; a szénnel működő hőerőműveké megközelítőleg 0,4.
- Mechanikai hatásfok: Ez a szám (szintén 1 és 0 között) azt mutatja meg, hogy a motor mechanikai felépítéséből fakadó veszteségek milyen mértékűek.
De ez nem ilyen egyszerű! Ezek a különböző eredetű veszteségek (pontosabban a hatásfokok) sok esetben nehezen besorolhatók, egymásra hatnak, de az biztos viszont, hogy szorzatuk adja meg a motor teljes hatásfokát! Ha például egy motor mechanikai hatásfoka 85% (0,85), volumetrikus hatásfoka 80% (0,8), termikus hatásfoka pedig 42% (0,42), az összhatásfok e három érték szorzata. Jelen esetben tehát 28,5% (0,285), ami azt jelenti, hogy a motor az üzemanyagban rejlő égési energia 28,5%-át tudja mozgási energiaként hasznosítani.
A volumetrikus hatásfok növelésére tett első kísérletek nem voltak eredményesek, pedig a kor legnagyobb gyártói próbálkoztak vele, úgymint a Minerva, Voisin, Panhard-Levasseur, Willys-Knight. Ez nem volt más, mint a kiáramlási keresztmetszet növelése, amivel az égéstermékek jobb hatásfokú kiürítését remélték. Ez vakvágány volt, de jött a másik ötlet!
Ez pedig nem volt más, mint a kompresszor! Nem véletlenül nem a turbót említettük, ugyanis bonyolultsága, és alacsonyabb megbízhatósága miatt nem sűrűn alkalmaztak a repülőgépek motorjainál.
Itt ugyanis repülőgépek motorjáról van szó, ahol a súly és a hatásfok még sokkal hangsúlyosabb, mint a közúti járművek esetén!
A közúti járművek esetén – bármilyen furcsa is ez elsőre! – éppen az szorította ki a kompresszort, hogy működése jelentős fogyasztásnövekedést okoz. De akkor miért volt jó a repülőgépeknél? Nos, azért, mert a turbó alkalmazása nem volt opció a már említett megbízhatósági okok miatt, ellenben háborús körülmények között még az egyébként aztán energiahiánnyal küzdő Németország sem számolta a fogyasztást, de az már nem véletlen, hogy a leghíresebb ilyen motor, a Daimler-Benz DB 600 nagyméretű vadász- (Messerschmitt Bf 110) és bombázógépekben (Heinkel He 111) kapott helyet, ugyanis „etetni” is kellett a V12-es, 850-1050 lóerős masinákat!
Nem mellesleg erre a motorra emlékezve tartotta sokáig gyártásban a Mercedes a kompresszorral szerelt motorokkal ellátott típusait, amelyek az egyre szigorodó környezetvédelmi normákat aztán már nem tudták „megugrani”, így mára kikoptak a kínálatból.
Miért fogyaszt a kompresszoros motor sokat? Nos, egyrészt előnye, hogy direkt kapcsolatban áll a motorral, és az igaz ugyan, hogy minden fordulatszámon töltheti a motort (nem úgy, mint a turbó!), de alkalmazásával növekszik az a tehetetlen tömeg, ami a motor mozgó alkatrészei jelentenek. Ezen túlmenően pedig – annak ellenére, hogy a kipufogás fázisában előbb kifújja a káros égéstermékeket, de csak azok egy részét! – a legnagyobb baj, hogy a kompresszor működése során az összesűrített levegő felmelegedik, így pedig elég rossz a volumetrikus hatásfoka.
Márpedig a nagy motoroknál – mint például a DB 600 – igen nagy kompresszorokra volt szükség, hiszen, ha belegondolunk, csak egy 2 literes motor (a DB 600 ~ 34 literes volt!!!) motor 3000 percenkénti fordulatszám mellett 400.000 liter levegő sűrítését kívánja meg, akkor el lehet képzelni, hogy milyen méretű és súlyú kompresszorra volt szükség!
És itt jött a magyar zsenialitás, itt jött az a megoldás, ami a volumetrikus hatásfokot egycsapásra javította – miközben minimális súlynövekedést okozott!
Sőt, a beszívott levegő hőmérsékletét is sikerült hatásosan csökkenteni! Az ötlet pedig az, hogy nem a fix teret kell kiüríteni, majd aztán feltölteni a megfelelő benzin-levegő keverékkel, hanem az égéstér azon részét kell elmozdítani, amelyben a visszamaradt égéstermékek még ott voltak! Igen, Zachariás István egész egyszerűen elfordította a hengerfejet, ami aztán szabadon, teljes felületével és térfogatát tekintve érintkezhetett a szabad levegővel, azaz tökéletesen eltávolította a visszamaradt égéstermékeket!
Ezen túlmenően pedig még a körben elforgó, és hengerenként két hengerfejjel ellátott szerkezet még hűtést is kapott, tehát nem csak maga a friss, hideg levegő került a hengerfejbe, hanem a hengerfej anyaga is lehűlt!
Mit jelentett ez a gyakorlatban?
- Minden probléma nélkül 15-20 atmoszféra szintig lehetett emelni a motor kompresszióját,
- ezzel pedig a kompressziós motorok előnyeit tudta hozni, de hátrányait kiküszöbölte,
- a volumetrikus hatásfok drámai mértékben javult, miközben a termikus hatásfok is javult (magasabb kompresszió), és közben a normál, nem kompresszoros motorokhoz képest csak minimálisan romlott a mechanikai hatásfok (de a kompresszoros motorknál jóval jobb volt!),
- és a motor súlya is csak kissé növekedett a nem kompresszoros motorokhoz képest.
És akkor ezen a ponton szoktak megérezni a károgók… mondván, hogy ha ennyire jó volt ez az elv, akkor miért nem alkalmazták széleskörben, mért nem terjedt el és miért nem gazdagodott meg ezen Magyarország?
Nos, Zachariás István kísérleteit 1930-ban kezdte, és a gyakorlatban is bizonyító motorját mégis csak 1940 után tudta megépíteni – az akkori technikai-, anyagi- és persze aztán a háborús helyzet miatt -, de sajnos 1943-ban egy légitámadás során mind az alkotó, mind pedig a motor odaveszett…
És persze jött a sugárhajtás kora:
Hogy ennek ellenére mégis honnan tudjuk, hogy létezett a motor, és mit tudott? Nos, a korabeli kísérleteket dokumentálták, és ezek alapján a korabeli sajtó megírta, hogy a motor hatásfoka 40%-os volt! Mit jelent ez? A benzinmotorok – beleértve a legmodernebbeket is! – 25 és 35% közötti, a dízeleké pedig 28 és 42% között adódik.
És ehhez tegyük hozzá, hogy a Zachariás-féle motoron nem voltak szelepek – voltaképpen résvezérléses volt! – gyártása így nem került (volna) többe, mint a szívó kivitelű szelepes motoroké!
Szóval így esett meg, hogy egy magyar zseni megalkotta a forgó hengerfejes motort! Aki nem hiszi, járjon utána – mi megtettük!
