Ha szürke vagy fekete a füst
Közismert, hogy a légszennyezés ma a civilizált világ egyik súlyos problémája. Az energiatermelés – a víz-, a nap- és a szélenergia hasznosításától eltekintve – a környezet mind erősebb szennyeződését vonja maga után; ebben pedig komoly szerepe van a közúti közlekedésnek, amelyben a gépjárművek motorjai bocsátják ki magukból a káros kipufogógázokat.
A gépjárművek által okozott légszennyezés kérdését több oldalról lehet megközelíteni, és az eddigi ismertetések általában csak egy-egy problémával foglalkoztak. Úgy hisszük, hogy az AM olvasóinak nem lesz érdektelen, ha ezt a problémakört megkíséreljük több oldalról megvilágítani, bár tudjuk, hogy munkánk – éppen a napról napra felbukkanó újabb megoldások miatt – távolról sem lehet teljes.
Foglalkozzunk először magukkal a légszennyező anyagokkal, a légszennyezés lehetséges csökkentésével – a tüzelőszerek, majd a belső- és külsőégésű motorok, az elektromos meghajtás, a hibrid megoldás és végül egyéb lehetőségek szempontjából. A teljességre törekvés kedvéért kénytelenek leszünk már ismert dolgok megismétlésébe is bocsátkozni.

A három légszennyező anyag
Szénmonoxid (a továbbiakban CO) akkor keletkezik, ha a tüzelőszer (szénhidrogének, CH) számára nem áll rendelkezésre az égéshez elegendő mennyiségű oxigén, de okozhatja a rossz keveredés is. A CO szagtalan és színtelen gáz, amely az Otto-motorok üresjárati kipufogógázában 10 térfogatszázalékot is elfoglalhat, míg mennyisége normális üzemben kb. felére esik. Ha a belélegzett levegőben 0,03%-nál több van jelen, a mérgezés fél óra alatt halálos lehet!
A másik fő szennyeződés az elégetlen CH; oka lehet szintén oxigénhiány, de lehet a tüzelőszer lecsapódása a hideg hengerfalon, az égési térben. Kétüteműeknél sok elégetlen CH távozik a friss keveréknek az elégett gázokkal való elkerülhetetlen keveredése következtében. A túl nagyra porlasztott tüzelőszer-részecskék sem égnek el tökéletesen. Az elégetlen CH hozzájárulhat a füstköd képződéséhez.
A harmadik (és legnehezebben csökkenthető) szennyező anyag a nitrogénoxidokból (NOx) áll, amely túl magas égési hőmérsékleten keletkezik. Izgatja a szemet és az orr nyálkahártyáját, károsítja a növényzetet. Napfényben jelenléte hozzájárul a füstköd képződéséhez.
Ide tartoznak a benzinbe kevert ólomtetraetil elégéséből származó ólomsók, amelyek erős idegmérgek, még a kipufogógázokban is. Az ólomtartalom csökkentése a benzinben az oktánszám rovására megy, amit a sűrítési viszony csökkentésével lehet ellensúlyozni; ez viszont a teljesítmény csökkenéséhez vezet, ami – azonos teljesítmény eléréséhez – nagyobb motor alkalmazását teszi szükségessé. A benzin ólomtartalmát egyébként azért is csökkentik, mivel az ólom a később még említésre kerülő katalizátorokat károsítja, amelyek különben a kipufogógázok tisztítására szolgálnak.
Végül vízgőz és szilárd részecskék is találhatók a kipufogógázokban. Az előbbi teljesen ártalmatlan, az utóbbiak, mivel túlnyomórészt koromból és vasoxidból (rozsdából) állnak, szennyezik a levegőt. A motorok szürke füstje az égési térbe följutott kenőolaj elégéséből származik, ami a motor javítási szükségességére utal, míg a fekete füst (a korom) a tökéletesen el nem égett, többnyire túlságosan dús keverék eredménye, ami helyes beállítással, avagy javítással kiküszöbölhető.

A tüzelőszerek
Tekintsük most át a káros kipufogást a tüzelőszerek oldaláról, mivel ezeknek nagy befolyásuk van a kipufogógázok összetételére. A gépjárművek számára tudvalevően legelterjedtebbek a nyersolajból lepárolt, illetve előállított tüzelőszerek: a benzin és a gázolaj. Ezek – kiváló adalékanyagaikkal – nagymértékben tesznek eleget a gépjárművek által támasztott követelményeknek, a legkülönbözőbb üzemi és időjárási körülmények között. Nagy hátrányuk azonban, hogy a hagyományos motorokban nem sikerült eddig azokat úgy elégetni, hogy ne termelődjenek belőlük az előbb említett káros anyagok, az ugyancsak ismertetett okok miatt. Nagy haladást jelentene ezen a téren a tüzelőszerek tökéletesebb elporlasztása, sőt teljes elgázosítása. A német Siemens vállalat állítólag megvalósított egy ilyen elgázosító berendezést, amelynek segítségével az eddigi értékekkel szemben csupán 10%-nyi CO termelődnék, elégetlen CH egyáltalán nem, és az NOx-tartalom is negyvened értékre esnék vissza. Bár a sűrítési viszony magasabb lehet, a 200°-ra való előmelegítés következtében a teljesítmény mintegy 20%-kal csökken. Sajnos, a berendezés – nagy terjedelme miatt – gépjárművekben egyelőre nem alkalmazható.
További olajbányászati termék a cseppfolyósított probán-butángáz és a földgáz, cseppfolyósított vagy sűrített állapotban. Mivel ezeket erős, nehéz palackokban kell tárolni, alkalmazásukra elsősorban nehezebb járműveknél, főleg városi használatban kerülhet sor. Kipufogásuk – jó keveredésük miatt – meglehetősen tiszta.
Alkohol, mint tüzelőszer, költséges előállítása miatt gyakorlatilag alig jöhet figyelembe, legfeljebb szükségállapot idején. (Régebben, a behozatal csökkentésére, nálunk is kevertek alkoholt a benzinbe és a keverék motalko néven került fogalomba.)
Mint kisegítő tüzelőrendszert megemlítjük a jármű-generátorokban termelt fa- vagy faszén-gázt, amely a készülékek nagy súlya miatt szintén csak nagyobb járműveken jöhet tekintetbe.
Végül megemlítjük a hidrogént, mint tüzelőszert, amelynek kipufogása tiszta vízgőz lenne. Számítások szerint a motornak jó, 30% körüli hatásfoka lenne, de kifejlesztése még valószínűleg sokáig várat magára.

Belsőégésű motorok
Mint nevük is mutatja, a tüzelőszert magában a motorban égetik el és így a gázok nyomása közvetlenül a dugattyúra vagy turbinakerékre hatva alakul át munkává. Az égéshez a tüzelőszert megfelelően elő kell készíteni, amire a porlasztó, a befecskendező szivattyú, illetve az égőfej szolgál. Sajnos, az általuk végzett porlasztás – mint már említettük – nem elég finom és egyenletes a tökéletes égéshez, így káros anyagok keletkeznek. A keverék örvényeltetése (mint például a rajzon látható Audi-megoldásnál) kedvező hatással van az égésre, amennyiben egyenletesebbé teszi a keveréket, és elősegíti a cseppecskék elpárolgását. (A „réteges” keverékkel később foglalkozunk.)

Sajnálatos körülmény, hogy míg a tüzelőszer jobb kihasználása minél magasabb égési hőmérsékletet kíván, addig a magas égési hőmérsékletek nagyobb NOx-képződést vonnak maguk után. Mivel pedig a levegő tisztasága előbbrevaló, valószínűleg le kell mondanunk az egyébként elérhető maximális gazdaságosságról. A káros kipufogás szempontjából a Diesel-motorok előnyben vannak az Otto-motorokkal szemben, mivel a füstölés határáig légfelesleggel dolgoznak, vagyis a szükségesnél még több oxigén is rendelkezésre áll az égéshez. Baj van azonban az NOx-képződésssel, bár a Cummins gyár állítólag újabban erre is talált megoldást.

A káros kipufogást csökkent berendezések
Mivel a hagyományos motorok döntő többsége ma nem tud eleget tenni a légszennyezést korlátozó hatósági előírásoknak (már ahol vannak ilyenek), a gyárak sokféle kiegészítő berendezéssel szerelik fel új motortípusaikat. Ezek a különböző jellegű konstrukciók mind a kipufogógázok szennyező anyagainak csökkentésére hivatottak. Ezek a berendezése: a termikus reaktor vagy utánégető, a katalizátor és a kipufogógázok egy részét visszavezető berendezés.

Az utánégető
alapjában véve olyan, mint egy „gázrezsó” amely a kipufogógázokban még jelen levő CO és HC jó részét utólag elégeti. Az ilyen utánégetőt a kipufogó-gyűjtőcső helyére szerelik fel, az ábrán jól látható módon. A még égében levő gázok a hengerekből az utánégetőkbe jutnak, ahol megfelelően kiképzett csatornákban a külön légszivattyún szállított levegővel keverednek, és ilyen módon a még éghető anyagok nagy része is elég. Az amúgy is magas hőmérsékletű gázok az utánégetőben még nagyobb hőfokra hevülnek, amitől maga az utánégető ugyancsak felhevül. Annak érdekében, hogy ez a magas hő a szomszédos motorrészeknek kárt ne okozzon, a hő sugárzását szigeteléssel csökkenteni kell.
Mivel az utánégetők igen magas hőmérsékleten dolgoznak, azoknak csak különleges hőálló anyagokat lehet alkalmazni, amelyek kifejlesztése még folyamatban van. Amerikában ezektől a berendezésektől 80 000 km teljesítményt követelnek meg kicserélés nélkül, amit eddig nem sikerült elérni. Probléma még a bennük termelődött nagy hő elvezetése és az általuk okozott túlfogyasztás megszüntetése.

A katalizátoros átalakító
Elősegíti a kémiai reakciók létrejöttét és ezáltal tovább csökkenti a kipufogógázok CO- és HC-tartalmát, sőt bizonyos mértékig az NOx mennyiségét is. Itt is probléma a még olcsóbb hőálló, valamint katalizáló anyagok, úgyszintén a hatékony és biztos szabályozó rendszerek kifejlesztése. Az eddigi katalizátorokban igen drága fémet, platinát alkalmaztak, amelyet az ólomsók megtámadnak. Számtalan kísérlet folyik megfelelő olcsóbb pótanyag kifejlesztésére.

A kipufogógázok visszavezetése a motorba
A semleges kipufogógázok egy részének a hengerekbe való visszavezetése fölhígítja a beszívott friss keveréket, és ezzel csökkenti az égési hőmérsékletet; ez viszont korlátozza az NOx mennyiségének a keletkezését. A visszavezetés természetesen automatikus szabályozással történik, hogy a visszaáramló mennyiség arányos legyen a mindenkori gázadással. A visszacirkuláltatás a teljesítmény rovására megy, mivel a hengertérfogat egy részét semleges gáz foglalja el. Csökkenti az égési hőmérsékletet a friss keverék dúsítása is, mert lassítja az égést, viszont növeli a fogyasztást.

A forgódugattyús motorok
A Wankelről elnevezett forgódugattyús motorok annyira különleges helyet foglalnak el a belsőégésű motorok között, hogy érdemes velük kissé részletesebben foglalkozni. Talán kevéssé ismert, hogy a forgódugattyús motor elvére több mint 100 évvel ezelőtt, 1867-ben a német Bellerman Gusztáv hívta fel a figyelmet – sőt szerinte ezt az elvet már Archimédész ugyancsak ismerte! Az amerikai Cooley arra – mint gőzgépre – szabadalmat is kapott, és ő volt az, aki részletesen ismertette az úgynevezett trochoid görbéket, amelyek a forgódugattyús motorok házának a kontúrját képezik.
A forgó dugattyú lehet három-, négy- vagy még többszögű is és a ház kontúrja ennek megfelelően változik, mindig eggyel kevesebb behúzódással, mint amennyi sarka van a dugattyúnak. A Wankel-motornál a forgó és a bolygó mozgást mozgást végző dugattyú tudvalevőleg háromsarkú és a ház piskóta alakú, két behúzódással.
Tudjuk, hogy a legsúlyosabb problémát a forgó dugattyú tömítése jelentette, amit az első kísérleteket végző NSU-gyár nem is tudott kielégítően megoldani. A motor gyakorlati eltömítése csak akkor valósult meg, amikor a licencet megvásárló japán Toyo Kogyo gyár igen hosszadalmas kísérletezés után olyan anyagot talált, amely jó tömítés mellett kielégítő élettartamot is adott: alumíniummal impregnált szenet. A motor házát alumíniumból öntötték, belső felületét fémszórásos eljárással acéllal vonták be, majd krómozták és polírozták. A gyár a tömítő lécek élettartamát 160 000 kilométernek megfelelően adja meg. A motor a Mazda típusokba építik be, és azokból 1972-ig negyedmilliónál többet szállítottak az Egyesült Államokba. A Mazda motorja kétsoros – kéttárcsás –, vagyis két dugattyúháza van egymás mellett, az égési térben két-két gyertyával. (Az elnyújtott égési térben lassabban végigfutó lángfront meggyorsítására.) Maximális fordulatszáma 7000, a kocsi végsebessége 170 km/ó. Fogyasztása 10,5 és 13,1 liter/100 km között mérhet, de az olajfogyasztása nagyobb, mint a hagyományos motoroknál.

Ami azonban bennünket most leginkább érdemes, az a motor emissziója. Megállapítást nyert, hogy az NOx kibocsátása – a nagy felületű égési térben föllépő alacsonyabb hőmérsékletek következtében – csekélyebb, mint a hagyományos Otto-motoroké, viszont a CO és CH kibocsátása még nagyobb, így hatásos utóégetőre és katalizátorra van szükség. A közdelem tehát tovább folyik a Wankel-motor tökéletesítéséért. Kérdés azonban, hogy a jobb gyorsítóképesség, a kisebb súly és terjedelem felér-e a nagyobb tüzelőszer- és olajfogyasztás, valamint a nagyobb légszennyezés hátrányával. Érvényes ez különösen akkor, ha tekintetbe vesszük a napról napra óriási mértékben növekvő nyersolaj-igényeket és a ma még ugyan igen nagy, de végeredményben állandóan csökkenő nyersolaj-tartalékokat. Nem lesz-e a jövő motorjánál a csekélyebb fajlagos fogyasztás a döntő szempont?

A Ford PROCO és a Honda CVCC

Rétegzett keverékkel
Az eddig tárgyalt motoroknál az égéskor keletkezett káros anyagokat a motoron kívül, a kipufogórendszerbe iktatott berendezések segítségével igyekeztek csökkenteni. A réteges keverékű motorok esetében a káros anyagokat magában a motorban, az égés megfelelő ellenőrzésével, „beprogramozásával” kívánják korlátozni. Ilyen motor az AM-ben már ismertetett Ford PROCO motor, valamint a japán Honda-gyár CVCC elnevezésű réteges keverékű motorja. A két gyár az azonos célt más-más eszközökkel kívánja elérni.
A réteges keverékű égési elvet röviden a következőképpen lehet megmagyarázni:
A hagyományos motorokban az égésbe kerülő keverék többé-kevésbé homogén, amelynek természetesen gyulladásképesnek kell lennie. Az égés megindulása után a már égő keverék maga előtt összenyomja és fölhevíti a még meg nem gyulladt keveréket, és ezzel mind közelebb viszi azt az öngyulladási állapothoz, ami kopogás formájában gyakran be is következik- A homogén keverék tehát nem előnyös az öngyulladás szempontjából. Az ideális keverék az lenne, amelyik nem homogén és amelyiknek a gyertya körül elhelyezkedő része annyira dús, hogy jól meggyújtható, de a gyertyától távolodva olyan mértékben szegényedik, amilyen mértékben az összenyomás és a fölmelegedés következtében gyúlékonyabbá válik. Ez az égési eljárás az eddigieknél jóval nagyobb sűrítési viszonyt enged meg (gazdaságosság), és tisztább égést tesz lehetővé (csekélyebb légszennyezés).

A Ford-gyár PROCO (Programmed Combustion: programozott égés) motorja tiszta levegőt szív be, amelybe a tüzelőszer-szivattyú által szállított benzint alacsony nyomású porlasztók fecskendezik be a hengerekbe úgy, hogy a finom cseppekből álló permet a gyertya körül dúsabb, attól távolodva pedig mind szegényebb keveréket képez. Ha tehát a befecskendezés kezdetét és időtartamát, irányát és sebességét minden terhelésnél a legkedvezőbb értékre programozzák be, akkor a motor megvalósítja a kitűzött égési elvet: ez egyben azzal az előnnyel is jár, hogy az égés kezdetén meggyújtott dús keverék alacsony hőmérsékleten ég el (kevés NOx-képződés), de az égés folyamán mind szegényebbé váló keverékben mind több az oxigén (kevés CO- és CH-képződés). Amellett megszűnik a kopogási hajlam (ólomszegény vagy ólommentes benzin és magasabb sűrítési viszony). Amint már közöltük, a motor korábbi kísérleti állapotában is teljesítette az 1976-ra előírt igen szigorú légszennyezési követelményeket. Hátránya viszont, hogy a porlasztó helyére kerülő befecskendező-szivattyú lényegesen megnöveli a motor gyártási költségeit.

Egy kis előkamrával
A Honda-gyár egészen más utat követett a CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion: összetett, örvényeltetéssel szabályozott égés) elnevezésű motorjával. Mint az AM egyik korábbi számában már ismertetésre került, a motor hengerfejében kis előkamrát helyeztek el, amelybe a szívóüzem alatt kis szelepen keresztül dús keverék jut. Ugyanekkor kinyílik a henger normális szívszelepe is, amelyen át viszont szegény keverék áramlik a hengerbe. Az előkamra kivezető nyílását úgy helyezték el, hogy az a hengerfalhoz viszonyítva érintőleges irányban nyílik a hengerbe. Ez azt eredményezi, hogy az előkamrában meggyújtott keverék a hengerben örvénylést létesít, amely megkeveri a hengerben levő szegény keveréket, és egyben meggyújtja azt. A már égő gázok, mint a PROCO-nál, összenyomják és fölhevítik a szegényebb keveréket, amely ily módon gyúlékonyabbá válik.

Hogy a korábban leírt ideális keverékszegényedést melyik motor valósítja meg jobban, azt majd a jövő dönti el. Mindkét gyár azt állítja, hogy motorjuk már most eleget tesz az 1976. évi követelményeknek.

Gázturbina, gőz- és Stirling-motor

A gázturbinák
A belsőégésű motorok felsorolásának utolsó csoportját a gázturbinák képezik. Ezek is tiszta levegőt szívnak be, azt sűrítik, és a sűrített levegőbe fecskendezik be az elporlasztott tüzelőszert. Az égés folyamatos, és az általa létesített nyomásemelkedést használják fel a turbina lapátkerekének hajtására. A lapátkerék igen gyorsan forog, miért is azt – megfelelő áttételezéssel – redukálni kell. A jármű-gáztubinák problémájával a gyárak már az 50-es évek eleje óta foglalkoznak és még emlékezünk az angol Rover és az amerikai General Motors által tervezett kísérleti gázturbinás autókra. Bár stabil és hajóturbinákat már sorozatban gyártanak, a személygépkocsikba is előnyösen alkalmazható gázturbina még ma sincsen a láthatáron.
Két súlyos probléma vár itt megoldásra. Az egyik az, hogy még nem sikerült megtalálni az anyagok és a gyártási eljárások olyan kedvező kombinációját, amely lehetővé tenné a kisebb turbinákban föllépő igen magas hőmérsékletekkel szembeni ellenállást, igen drága anyagok és eljárások alkalmazása nélkül. A másik probléma az, hogy a gázturbinák kipufogógázában az alacsony CO- és CH-tartalom mellett magas az NOx mennyisége. A folyamatban levő kísérletek azonban igen biztatók, és valószínűleg nemsokára lehetővé válik, hogy a dízelmotorok helyére gázturbinák kerüljenek a nagyobb járművekbe, például az autóbuszokba és a teherautókba.
A gázturbinák előnyei: kevesebb alkatrész, könnyebb karbantartás, hosszabb élettartam, gazdaságos üzem és rezgésmentes futás.

Külsőégésű motorok
Ezeknél a tüzelőszer valamilyen közvetítő anyagot, például vizet vagy levegőt, esetleg hidrogént, héliumot vagy valamilyen új vegyi anyagot melegít, és az abba jutó hő,- illetve nyomásenergia szolgáltatja a hajtóerőt, akár dugattyús, akár turbinalapátos motorban. A tüzelőszer elégetése folyamatos, és az kedvező keveredési aránnyal történhet, tehát a légszennyezés ezeknél már eleve csekélyebb. Az égő gázok nem kerülnek közvetlen érintkezésbe a motor alkatrészeivel, így azoktól hosszabb élettartam várható.

A gőzmotor
A gőzgéppel hajtott tehergépkocsi néhány évtizeddel ezelőtt még mindennapos látvány volt a gőzgép hazájában, Angliában. Az álló kazánt általában a vezető mellett helyezték el, amelybe a vezető táplálta a szenet. Az elhasznált gőz a szabadba távozott. Ezek a gépek nehezek voltak, rossz hatásfokkal dolgoztak, füstöt, kormot, CO-t bocsátottak ki kéményükből – tehát a belsőégésű motorok világában már nem voltak korszerűek.

Az újabb időkben sokan kísérleteznek gőzmotoros gépkocsikkal, természetesen már a gőz kondenzálásával és visszacirkuláltatásával. Egy ilyen „modern” gőzmotor vázlatos rajzát láthatjuk az ábrán. Baloldalt van a kazán, amely alatt a tüzelőberendezést Bunsen-láng képviseli. A kazánban egy újonnan kikísérletezett organikus vegyület van, amely nem tűzveszélyes és nem mérgező – kiküszöbölve így a tűz és a mérgezés kockázatát, esetleges karambol alkalmával. Az elpárologtatott nagynyomású gőz a dugattyús gőzmotorba jut, míg a fáradt gőz a légárammal hűtött kondenzátorban újból cseppfolyóssá válik, és hőcserélőn keresztül fölmelegedve, szivattyú segítségével visszakerül a kazánba.
Bár a kísérletek a légszennyezés szempontjából kedvező eredményeket mutattak, általában úgy hiszik, hogy a gőzmotorral járó hátrányokat – a nagyobb súlyt, a magasabb beszerzési költségeket, a nehezebb karbantartást, a hosszabb beindítási időt – a tisztább kipufogás aligha képes ellensúlyozni.

A Stirling-féle hőlégmotor
Nagy előnye a csekély légszennyezés, a tüzelőszer gazdaságos kihasználása és a nyugodt járás. Mielőtt a motor működési elvét ismertetnénk, érdemes röviden áttekinteni annak valóban „kalandos” életrajzát. A hőlégmotor termodinamikai ciklusát 1816-ban (!) egy skót lelkész, Robert Stirling szabadalmaztatta. Tehát nem egy bizonyos motort, hanem annak hődinamikai elvét! Ennek alapján az 1900-as évek végéig sok hőlégmotort állítottak szolgálatba, főleg műhelyekben, gépek meghajtására, mind Angliában, mind Amerikában, de a gőz-, benzin-, gáz- és elektromos hajtású gépek azokat teljesen kiszorították.
Érdekes, hogy a hőlégmotort a világhírű holland elektrotechnikai gyár, a Philips „vette elő” újból, amikor (a 30-as évek végén) szüksége volt elektromos aggregátokra, az eladott elektromos berendezésekhez olyan helyeken, ahol még nem volt elektromos hálózat. Eredetileg petróleumüzemre készült, de képes volt más tüzelőszereket is elégetni, beleértve a faszenet. Ennek gyártását csak a jobb telepek és a tranzisztorok kifejlesztése tette feleslegessé. A gyár vezetői azonban meglátták a motorban rejlő óriási lehetőségeket, és tovább kísérleteztek, több mint 250 szabadalommal védve a motorral kapcsolatos újításaikat.
A kísérletekbe bekapcsolódott a General Motors is, amely 1967-ben beépített egy 11 lóerős, 3600 percfordulatú négyhengeres Stirling-motort egy Opel Kadett kocsiba. Oly módon, hogy ott a Stirling-erőforrás egy dinamóhoz kapcsolva töltötte a kocsiban elhelyezett telepeket, amelyek végül is elektromotorral hajtották a járművet. Ez az első „hibrid” megoldás – de erről még később lesz szó. Nem sokkal ezután a General Motors megszüntette kapcsolatait a Philips-gyárral, mivel nagyobb üzleti lehetőségeket látott a Wankel-motorban. A gyár azonban tovább folytatta a kísérleteit. S megszületett a zárt rendszerű, hidrogén munkafolyadékkal működő, úgynevezett rombuszmeghajtású motor, amely azonban nagy terjedelme és súlya miatt csak teherautók, autóbuszok és hajók meghajtására volt használható, de természetesen stabil célokra is. A Stirling-motor mai, valószínűleg végleges formája 1971-ben született meg, amelynél kiküszöbölték a nagy súlyt és terjedelmet magával hozó rombuszmeghajtást, és a később még tárgyalásra kerülő úgynevezett „kiszorító” dugattyút; a szokásos forgattyús-főtengely helyett ferdén ékelt tárcsa került alkalmazásra, több igen szellemes újítással együtt. Ezt a megoldást illetve a motor elvi működését részletesen ismertetjük.

A levegővel megfelelő arányban keveredő tüzelőszer folyamatosan ég, igen kevés szennyező anyagot termelve. A tüzelőszer valamely közvetítő anyagot melegít, azonban nem külön kazánban, hanem magában a hengerben. Ennek ugyanis két része van: fönt a lánggal hevített forró rész, alil a vízzel hűtött hideg rész. A két részt a „kiszorító” dugattyú választja el egymástól, míg a szokásos „munkadugattyú” alatta motor hengerben. Ez utóbbi teljesen zárt, szelepei nincsenek, és a benne levő munkafolyadék a hideg és a meleg rész között cirkulál. A cirkuláltatást a kiszorító dugattyú végzi, oly módon, hogy a föl-le mozgásával egy csövön keresztül a gázt áttolja maga alá, illetve fölé. Meghajtása történhet például a munkadugattyún keresztül, vezető hajtórúddal.
A két dugattyú nem egyszerre mozog, hanem úgy, hogy a kiszorító dugattyú megy elöl, és a munkadugattyú azt egy negyed főtengelyfordulattal követi. Amikor tehát az egyik dugattyú valamelyik holtponti helyzete körül időzik, a másik nagy sebességgel fut a löketében. Induljunk el abból a pillanatnyi helyzetből, hogy a munkadugattyú – előző munkaüteme után – fölfelé halad a hengerben; ekkor a kiszorító dugattyú a felső holtpontja körül tartózkodik. Mivel a henger zárt, a benne levő gázt a munkadugattyú maga fölött összenyomja. Most a kiszorító dugattyú lefele halad, miáltal az alul lveő gáz átáramlik a fölhevített részbe. A fölhevült ház nyomása megnövekszik és lenyomja a munkadugattyút. Az expanzió vége felé a kiszorító dugattyú megindul felső holtponti helyzetébe, maga alá szorítva az egész gázmennyiséget a hűtött, hideg részbe. A ciklus ezután újból kezdődik a sűrítéssel, folyatódik a fölhevítéssel, az expanzióval, majd a lehűléssel – és így tovább. Amint látjuk, a munkadugattyú minden egyes lefelé való löketére esik egy-egy munkaütem, a motor tehát kétütem-módra dolgozik.
Érdemes megemlíteni, hogy a motorban végbemenő termikus folyamatok (hőfelvétel, hőleadás) igen gyorsan mennek végbe, miáltal tekintélyes, 5000-ig terjedő percfordulatot is el lehet érni. A motoroknál szokásos gázszabályozás a munkagáznak a hengerből való kiszivattyúzásával történik, igen gyors reagálással: a teljes terhelésről az üresjáratra való átállás nem vesz igénybe még fél másodpercet sem.

Ferdetárcsás Stirling-motor
néven mutatták be azt az ugyancsak Philipsék által javasolt szisztémát, amelynél egy valóban ferdén elhelyezett tárcsával kialakított főtengelyhez kapcsolódva – a főtengely vonalával párhuzamosan – négy dugattyú dolgozik össze. Ennél a konstrukciónál feleslegesek a normál Stirling-motor jellegzetes kiszorító dugattyúi. Itt ugyanis a hagyományos formájú dugattyúk mindkét oldalról dolgoznak és elvégzik a kiszorító dugattyú feladatait. Gyakorlatilag – mivel ez a ferdetárcsás konstrukció kétüteműként működik – egy tizenkét hengeres, négyütemű motornak tekinthető. Az elvileg nagyon szellemes megoldással egy ilyen módon épített 200 lóerős motor súlya – az előzetes számítások szerint – mint komplett egység sem lenne több 300 kilogrammnál.
Most pedig végül néhány szám a Stirling-motor emissziójának „tisztaságára”, összehasonlítva azt más motorok adataival. Azt viszont megjegyezzük, hogy a Stirling-motornál ezek az értékek a hidegindítási próbák nélkül értendők. A hidegindítást is számítva ezek az értékek kissé megemelkednek.

Az adatok szerint a Philips-Stirling motor nyújtja a legkedvezőbb kipufogást. Ha még tekintetbe vesszük gazdaságos üzemét, amely a dízelekével azonos, valamint az egyenletes nyomatékot, valóban elképzelhető, hogy ez lesz a következő évtized legelterjedtebb motorja. Alátámasztja ezt az is, hogy az NSZK-ban két nagy vállalat, a MAN és az MWM közös fejlesztési üzemet létesített a Stirling-motor kísérleteire, továbbá hogy Svédországban két új vállalat is alakult a Stirling-motor kifejlesztésére és gyártására, Amerikában pedig a Ford-gyár kötött megállapodást a Philips-gyárral.

Elektromos hajtás
A járművek elektromos meghajtásánál mindnyájan arra gondolunk, hogy ez megszünteti a légszennyezést, pedig csupán annak a helyét változtatja meg, mert a hőerőművek, amelyek a villamos energia nagy részét szolgáltatják, ugyancsak szennyezik a levegőt. Mindenesetre előny, hogy a szennyeződés nem koncentrálódik a városok utcáira.
A telepes meghajtású elektromos járművek igen nagy hátránya még a mai ólomakkumulátorok nagy súlya és terjedelme, ami komoyl határt állít a járművek akciósugara elé. A telepeknek – ne feledjük – a meghajtó motoron kívül táplálni kell a ma már elengedhetetlen felszereléseket, mint például a lámpák, páramentesítők, jelzőberendezés és esetleg a fűtés. A mai elektromos járművek akciósugara legfeljebb 100 km, korlátozott sebesség mellett. Városi használatra – főleg kis méretük miatt – igen alkalmasak. Egyes gyárak sokat ígérő kísérleteket folytatnak különböző újfajta akkumulátorokkal, így például nátrium-kén telepekkel. A japánok állítólag két év múlva piacra hoznak 4-5 személyes kocsikat, közel 200 km akciósugárral és a maiaknál jóval nagyobb maximális sebességgel.

Hibrid meghajtás
korábban már említettük a hibrid meghajtást, mint valamilyen hőerőgép és elektromos meghajtás kombinációját. A cél olyan erőtelep beépítése, amely az előbb említett bármelyik fajtájú, de kisebb teljesítményű motorral dinamót hajt meg; ez feltölti a beépített telepeket, de mint motor, hajthatja a járművet is. Városi használatban csak a telepek hajtanák a járművet, nyílt terepen pedig, ahol a légszennyezés kevésbé káros, a motor venné át a meghajtást – sőt, emelkedőkön, gyorsításnál mindkét energiát igénye lehet venni. Állítólag a Bosch-gyár folytat ilyen irányú kísérleteket. Az elgondolás helyes, de kérdés, hogy elbír-e egy kisebb jármű ilyen költségeket.

Lendkerekes meghajtás
A lendítőkerekes meghajtást először Svájcban, most újabban pedig Svédországban alkalmazták városi autóbusz mozgatására. A járműben nagy lendkerék van, amelyet bizonyos távolságokban (a megállóknál) elektromos segítségével fölgyorsítanak és ezt a fölhalmozott energiát használják föl valamilyen formában (elektromos vagy mechanikus úton) a jármű meghajtására. Ennek a rendszernek is az a hátránya, mint az elektromos meghajtásnak: a rövid akciósugár. Előny viszont a légszennyezés teljes kiküszöbölése.

Tüzelőszercellák
Ezek lehetővé teszik a tüzelőszer energiájának közvetlenül elektromos energiává való átalakítását. A cellák azonban túlságosan nagy terjedelműek, így például személykocsiban a vezetőn kívül csak egy személynek maradna hely. Még sok kísérletet kell végrehajtani ahhoz, hogy ez a rendszer gyakorlatilag is használható legyen, de kitűnő hatásfokára és csekély emissziójára való tekintettel igén érdekes megoldás lenne.

Napcellák
Az űrhajózásban már rendszeresen alkalmazott napcellák a Nap energiáját alakítják át elektromos energiává. Egy „meg nem erősített” hír arról számol be, hogy az amerikai RCA vállalat már esetleg jövő évben piacra hozza napenergiával hajtott személyautóját. A kérdés az, hogy mennyi napenergiát képes tárolni egy személygépkocsi arra az időszakra, amikor nincs napsütés.

Összefoglalás
Összegezve az eddigieket, elmondhatjuk: távol vagyunk még attól, hogy a levegőnek a járművek által történő szennyezése – főleg a városokban – kiküszöbölhető kegyen. Az erre hivatott szakemberek – akárcsak a DDT esetében – meglehetősen elkésve ismerték föl a már valóban kritikusnak nevezhető helyzetet. Intenzíven folynak a kísérletek a mind „tisztább” motorok kifejlesztésére, de eddig még távolról sem kielégítő eredménnyel. Míg a legutóbbi időkig a tendencia a járműmotoroknál a mind nagyobb teljesítmény felé mutatott, az irányzat most megváltozott: gazdaságosabb motorokat, mind csekélyebb légszennyeződéssel! Az első konkrét lépés már megtörtént, a benzin ólomtartalmának a csökkentésével. Ezután következnek majd a teljesen kikísérletezett motorok prototípusai, majd a sorozatgyártásra való fölkészülés, a motornak megfelelő kocsiszekrény, kormánymű, erőátvitel stb. megtervezésével. Az alaposan kikísérletezett prototípus-járművek kifinomítása után következik a sorozatgyártásra való fölszerszámozás. Mindez igen hosszú időt vesz igénybe.
Még nem tudhatjuk, hogy az áttekintésben fölsorolt megoldások közül melyik valósul meg a jövőben, de azt remélhetjük, hogy a következő évtized autója olyan megbízható, gazdaságos és tiszta kipufogású lesz, amilyennek magvalósítását az erőforrásaink, rendelkezésre álló anyagaink és szakembereink képességei lehetővé teszik.

Keresztesi István
okl. gépészmérnök