Ha kicsit utánajárunk, azt tapasztaljuk, hogy Dunát lehet rekeszteni a hagyományosnak nevezhetőtől eltérő motorkonstrukciókkal. Számtalan bolygódugattyús, öt- és hatütemű, és ki tudja még mennyiféle motorral álmodták újra a feltalálók a jó öreg dugattyús négyütemű motor működési elvét.
Mégis, alapvető változást nem látunk. A motorépítés jól kitaposott ösvényen jár, csoda vagy áttörés (az elektromos rendszerektől eltekintve) nincs és nem is várható. Az egész világ erre a járműkoncepcióra van ráállva. Egy új motornak nem csak a prototípusban, de hosszútávon üzemeltetve és gazdaságilag is sikeresnek kell lennie. Ki vállalna be egy merőben új konstrukciójú motort a mainstream gyártásban? Gondoljunk arra, hogy egy motor általában több márkában is szolgál, tehát gyártani csak igen nagy tömegben érdemes, különben nem lesz eladható az alacsony széria miatt jelentkező magas árfekvés miatt. Ha a prototípus jó is, azt követően teljesen új gyártósorra van szükség, a motort el kell fogadtatni a piaccal és ki tudja, milyen problémák állhatnak elő. Jobb és biztosabb út a meglévőt továbbreszelgetni.
Az új konstrukciók térhódítását tovább nehezíti, hogy a jelenlegi motorok a belsőégésűek mércéjével mérve egyáltalán nem rosszak. Persze van hova fejlődni – és elsősorban a részterheléses üzemállapotok optimalizálásával – de egy teligázas, teljes terheléses teljesítményhez tartozó fogyasztást illetve hatásfokot jelentősen nem lehet csökkenteni a jelenlegi alapkonstrukció mellett.
Vegyük figyelembe, hogy amikor azt látjuk, hogy egy korszerű 120 lóerős motor 20-30 százalékkal kevesebbet fogyaszt nagyon hasonló autóban mint egy elavult 120 lóerős motor, akkor részterhelések összehasonlításáról van szó. Ha csúcsteljesítményű üzemben hasonlítanánk össze a fogyasztást, messze nem tapasztalnánk ekkora különbséget. A részterheléses üzemek optimalizálása hozza a markánsan javuló fogyasztási értékeket, és nem a belsőégésű motorok csúcsteljesítményen vizsgált hatásfokának javulása.
A fentiekből következik, hogy a motorok mindig olyan irányba fejlődnek, amely a jelenlegi helyzethez hozzáilleszthető. Egy új vezérlésnek vagy befecskendező-rendszernek nem csak jónak kell lennie, hanem lehetőleg könnyen integrálhatónak is a jelen gyakorlatába.
A cikk témájául szolgáló HCCI motor azért tűnik életképesnek, mert a jelenlegi motorépítési módszerek viszonylag kisfokú változtatásával létrehozható, és ennek ellenére jelentős üzemanyag-megtakarítást eredményezhet.
A benzinmotorban az összesűrített üzemanyag-levegő keveréket elektromos gyújtóív gyújtja meg, miután az lángfront-szerűen terjedve elég. Az üzemanyag-levegő arány egy szűk tartományban változhat csak, így ezek a motorok úgynevezett mennyiségi szabályzásúak, ami azt jelenti, hogy az adott arányú üzemanyag-levegő keverék mennyiségének szabályzásával lehet a motor teljesítményét változtatni. Ez a legtöbb benzinmotorban a beszívott levegő útjába helyezett pillangószeleppel történik, amelyet a gázpedállal mozgatunk. Ez azt is jelenti, hogy ezek a motorok (mivel üzemállapotukra általában a részterhelés jellemző) működésük nagy részét a hatásfok tekintetében kedvezőtlen, fojtásos állapotban töltik.
A dízelmotorok levegőt szívnak be, azt összesűrítik és ebbe a magas hőmérsékletű, sűrű levegőbe fecskendezik be nagy nyomással az üzemanyagot. Mivel nem szikra hatására kezdődik az égés, a gázolaj-levegő elegy sokkal tágabb arány-tartományban képes gyulladni mint a benzin-levegő elegy, így ezekben a motorokban úgynevezett minőségi szabályzással változtatható a teljesítmény. (Fontos megjegyezni, hogy a benzin-levegő keverék is gyújtható tág arányok között, de nem villamos ívvel.) Ha kisebb teljesítményre van szükség egyszerűen kevesebb gázolajat fecskendezünk be, pillangószelepre, fojtásos üzemállapotra nincsen szükség. Ez az egyik oka, hogy a dízelmotorok a gyakorlatban kevesebb üzemanyagot fogyasztanak mint a hasonló csúcsteljesítményű benzinesek.
Mielőtt a HCCI motor működésének boncolgatásához kezdenénk, ejtsünk még néhány szót a sűrítési viszonyról is. A motor dugattyújának alsó és felső holtpontja által meghatározott két térfogat arányát nevezzük sűrítési viszonynak. A sűrítési viszony igen kritikus pontja egy motor konstrukciójának. Növelésével növekszik a termikus hatásfok, azonban – a közvélekedéssel ellentétben – a sűrítési viszony nem „minél nagyobb annál jobb” jellegű. A sűrítési viszony növekedésével ugyanis az úgynevezett pumpálási veszteségek is jelentősen nőnek, valamint szilárdsági okokból a forgattyús mechanizmusnak is jelentősen nagyobb lesz a tömege. A sűrítési viszonyt addig érdemes növelni, amíg a termikus hatásfok növekedéséből származó előny nagyobb, mint a veszteségek növekedéséből adódó hátrány.
A gyakorlatban általánosságban elmondható, hogy a legkedvezőbb hatásfok eléréséhez szükséges sűrítési viszony a benzinmotorokban – a lentebb ismertetett – detonációs égés miatt határolva kényszerűen alacsony, dízelmotorok esetében pedig a motor hidegindíthatósága szempontjából kényszerűen magas. Előbbi esetre jellemző érték a 10,5:1 utóbbira a 20:1. (Létezik akár 13:1 sűrítési viszonyú benzin-, illetve 15-16:1 sűrítési viszonyú dízelmotor is.)
A benzinmotorban tehát a hengerben lévő üzemanyag-levegő keveréket gyújtja meg a gyújtóív, ami elég és munkát végez. A munkaütemet a gyújtóív indítja.
A dízelmotorban a sűrű és forró levegőbe fecskendezik a gázolajat, amely ebben a környezetben elég. A munkaütemet a befecskendezés indítja.
A HCCI – (Homogeneous Charge Compression Ignition), homogén töltet kompresszió-gyújtás – motor esetében a hengerben üzemanyag-levegő keverék van, amelyet a felfelé mozgó dugattyú sűrít. Amikor a töltet hőmérséklete eléri a gyulladási hőmérsékletet, az egyszerre – helyesebben több pontból egyszerre kiindulva – ég el.
Ebből is érezhető, hogy a HCCI motort még nagyon távoli közelítésből sem szerencsés benzinnel üzemelő dízelmotornak nevezni. Igaz, hogy öngyulladással ég el az üzemanyag, azonban a sűrítési ütemben az üzemanyag-levegő keveréket sűrítjük és nem csak levegőt, mint a dízelmotor. Az effajta öngyulladás csak megfelelően nagy égéstér-hőmérséklet esetén jön létre, amely egy normális benzinmotorban nem állhat elő.
A működési mód alapja már évszázados ötlet, azonban a hengerben lezajló égés meglehetősen bonyolult, így megfelelő mélységű megértésétől nem is olyan régen még távolt állt a tudomány. Egy 1990-es kiadású gépjármű-technikai tankönyv még azt írja, hogy a detonációs égés – igen gyors és heves lezajlása miatt – számos ponton tartogat még titkokat. Egyfelől e titkokban juthattak tovább a fejlesztők, másfelől pedig a piac is egyre nagyobb igényt mutat a kis fogyasztású, kis méretű de nagy teljesítményű motorok iránt.
Mivel a HCCI motor munkaütemének nincs jól kontrollálható kezdete – mint a benzines esetében a gyújtás vagy a dízel esetében a befecskendezés – a motor vezérlése nem magától értetődő. De egyáltalán mitől indulhat be az öngyulladásos égés, hogyan lehet egy benzinmotort kompresszió-gyújtásúként üzemeltetni? Az egyik lehetőség a magas sűrítési végnyomás biztosítása, azonban ezt nem lehet használni a gyakorlatban, mert nagy terhelés esetén kopogásos égést idéz elő. A változtatható sűrítési viszonyt megvalósító motor bonyolult konstrukció. Lehetséges még a beszívott levegő intenzív melegítése, vagy nyomásának növelése. Ezek azonban mind merőben új konstrukciós megoldásokat igényelnek, így a bevezetőben elmondottak értelmében nem a könnyen ehető jövő irányába mutatnak.
A legjobbnak tűnő megoldás a kifinomult szelepvezérlési rendszerek révén megvalósított precíziós töltetcsere folyamat. A kipufogószelep vezérlésével az előző ütem forró gázait lehet visszavezetni, illetve bent tartani az égéstérben. Ezt belső kipufogógáz visszavezetésnek nevezik. A külső visszavezetéssel – amely az ismert EGR szelepen keresztül történik – hűvösebb kipufogógáz kerülhet az égéstérbe, így a két eljárás folyamatos kombinálásával kellő pontossággal szabályozható az égéstér hőmérséklete. Ezt alkalmazzák hagyományos szikragyújtású motorokon is, de ott korlátozott a visszavezethető kipufogógáz mennyisége (belső visszavezetéssel is maximum kb. 40 százalék), mert szikrával kell gyújtanunk a gyertya közelében lévő lambda=1 környékén lévő üzemanyagot. A HCCI esetében viszont hővel gyújtunk, ezért akár lehet ennél sokkal szegényebb is a keverék, ami begyullad „bárhol” is van. Nagy kipufogógáz visszavezetésnél a lángkialvásra is tekintettel kell lenni a hengerfalaknál, és az egyéb lángkialvási zónákban az emisszió miatt. Ezért van egy kisterhelésű működési határ, ami alatt vissza kell állni szikragyújtásra, lambda=1-re, és minimális kipufogógáz visszavezetésre.
(A lambda a levegő és az üzemanyag arányát fejezi ki. Az ideális, lambda=1-nek nevezett arány 14,7:1. Az 1-nél kisebb lambda érték dús, az 1-nél nagyobb érték légfelesleges, azaz szegény keveréket jelent.)
Miért jó ez az egész? Fontos elgondolkodni azon, hogy a személyautó motorok túlnyomó részben valamilyen részfordulaton és részterheléses üzemben működnek. Egy átlagvezető még egy padlógázas előzéskor sem használja ki motorja csúcsteljesítményét, hiszen legtöbben a csúcsteljesítményhez tartozó fordulatszám alatt elváltanak megszokásból. Tehát a kibocsátás és az üzemanyag-fogyasztás szempontjából a kis gázpedál állású, közepes fordulatú és alacsony terhelésű üzemállapotok a legkritikusabbak.
Mint fentebb írtuk, a benzinmotorok fojtásos vezérlésük miatt pontosan ezekben az üzemállapotokban képtelenek kellő hatásfokra. Részterhelésen a gázok áramlása sem optimális, a motor elviselne nagyobb sűrítési viszonyt is, és még számos olyan tényező, amely a részterheléses üzem gazdaságosságát rontja.
HCCI üzemben nem a nagy teljesítmény, hanem a kis fogyasztás a lényeg elsősorban. A gyújtás módja miatt lehetséges igen szegény keverék (ugyanannyi levegőhöz kevesebb benzin) használata. Igaz, nem lehet sok üzemanyagot elégetni egy ütemben – ami a nagy teljesítményre törekvéskor lényeges –, de azt a keveset jól lehet elégetni, és nem utolsó sorban azzal a kevéssel is üzemképes a motor. Mint fentebb írtuk, a fojtószelep hiánya is komoly előnyt jelent a szokásos motorkonstrukciókkal szemben.
Természetesen az előnyök mellett vannak – jócskán – megoldandó problémák is. A dízel- és a benzinmotorra is jellemző, hogy az égés az égéstérben terjedő lángfront formájában megy végbe, így a töltetnek mindig csak egy része ég egyszerre. A HCCI motorban – mivel egyszerre sok helyről indul az égés – gyakorlatilag egyszerre ég el az üzemanyag. Ez igen magas égési csúcsnyomáshoz és hőtermeléshez vezet, amely konstrukciós problémákat vet fel. A Volkswagen prototípusa például csúcsnyomás csökkentése és az elnyújtottabb munkaütem érdekében más üzemanyagot alkalmaz.
A HCCI motorból nagy teljesítményt kivenni nem lehetséges, hiszen a dúsabb vagy abszolút értelemben több üzemanyag tovább növeli a kellemetlen hatású gyors égést és fokozza a kopogásos égés kialakulásának valószínűségét. A teljesítményszabályzás egyik lehetséges megvalósítása, hogy magasabb teljesítményekhez megfelelő mértékben csökkentik a töltet hőmérsékletét, de a valóság ennél sokkal egyszerűbb megoldást kínál.
Mivel a motor lényegében csak a szelepvezérlésben különbözik a hagyományos négyütemű benzinmotortól, nagy teljesítmény igény esetén át lehet állni szikragyújtású üzemre. Így a HCCI üzem megmaradhat abban a tartományban, amelyben a legjobban teljesít, ha erőre van szükség, akkor pedig a jó öreg szikra gyújtja be a keveréket. A Mercedes-Benz Diesottoja ilyen. HCCI üzemű, amikor a gazdaságosság a cél, indításnál, alapjárat közelében és nagy terhelésnél pedig szikragyújtásúként működik. Két motor egy motorban.
A HCCI üzemre és a kopogásos égésre egyaránt az öngyulladás jellemző, mégis két markánsan különböző jelenségről van szó.
Benzinmotorok esetében a kopogásos vagy más néven detonációs égés jelenti egyik legfőbb gátját a sűrítési viszony növelésének. Ebben az üzemállapotban a következő jelenség játszódik le: A munkaütem kezdetén a gyújtóív begyújtja a keveréket. A lángfront elindul, és maga előtt tovább sűríti és tovább növeli a még el nem égett keverék hőmérsékletét. Ennek hatására a még el nem égett keverék önmagától begyullad. A két lökéshullám igen heves állóhullámokat hoz létre az égéstérben, amelyek nagy nyomást, magas hőmérsékletet és kopogó hangot eredményez. Egy rosszul beállított motor, terhelés alatt percek leforgásán belül tönkremegy ebben az üzemállapotban.
A HCCI motor működése nagyon hasonló, azonban az a tény, hogy az égés egyszerre indul meg – és az öngyulladást nem előzi meg a szikragyújtásból következő lángfront terjedés – eltérő nyomásviszonyokat eredményez. Nincs – vagy sokkal kisebb mint kopogás esetében – nyomáskülönbség az égéstér különböző térrészeiben, így a kedvezőtlen lökéshullámok sem alakulnak ki. Mindezek ellenére, nagy terheléseknél a HCCI is kopoghat, de mint fentebb írtuk, az ilyen igények esetén a gyakorlatban üzemelő erőforrás már inkább szikragyújtásúként működik.
A Mercedes-Benz HCCI motorjáról, a Diesottóról már korábban írtunk. A tesztelés alatt álló motor paraméterei lenyűgözők. 1,8 literes, négyhengeres turbófeltöltésű motor, 238 lóerő csúcsteljesítménnyel és 400 newtonméter maximális forgatónyomatékkal. A kezdeti tesztelések 6 liter/100 kilométeres fogyasztást mutattak egy S-osztályba szerelt motorral(!). A gazdaságosságot azzal kívánják tovább növelni, hogy hibrid rendszerűvé alakítják az erőforrást, integrált indítómotor/generátor egység beépítésével.
Mivel a HCCI motor az egyik leglényegesebb területen – a részterheléses üzemben – képes előnyöket felmutatni, és nem utolsó sorban sorozatgyártásához nem kell gyártósorokat alapjaiban átalakítani, minden reményünk megvan, hogy a közeljövőben a mindennapi autózás részévé váljanak.
