1979 – A „kombinált” feltöltés – 1

Egy forradalmi magyar szabadalom elmélete

1979 augusztusában és novemberében jelent meg két írás ugyanabban a témában az Autó-Motor hasábjain, melyben – mint az idő igazolta – a valóban forradalmi magyar szabadalomról, a kombinált feltöltésről számoltak be. Az első írás, az akkor már a gyakorlatban, – a BMW 528i alapjain épített ALPINE-ban – is bizonyító berendezésről tudósít, míg a második, a konstrukció műszaki tartalmát járja körül részletekbe menően. Mivel logikailag és historikusan is indokoltabb, ezért a cikkeket fordított időrendben közöljük újra.  (Az írás második része itt olvasható)

Alább következik tehát a magyar szabadalomként levédett “kombinált feltötés”-ről szóló írások később megjelent, de itt mégis az egyes sorszámot kapott darabja. Az 1979 novemberi írás Dr. Kiss Győző a Közúti Közlekedési Tudományos Kutatóintézet akkori tudományos igazgatóhelyettesének munkája.

Cser Gyula világraszóló találmányának (szívócső- és rezonanciafeltöltés) alkalmazása D-614 Csepel motoron
Kép forrása: automobilizmus.hu

♠

Az utóbbi időben több hazai újságban, napilapban is közölték a kombinált feltöltés sikerét, és az AM 1979/19. számában ugyancsak olvashattunk egyik érdekes alkalmazásáról. Akkor arról adtunk hírt, hogy a BMW Alpina csúcsmodelljét e magyar találmány felhasználásával készítik. Sorainkat azzal zártuk, hogy visszatérünk erre a nagy jelentőségű találmányra, amely öt magyar gépészmérnök — ANNUS IMRE, CSER GYULA, FLÓRIÁN SÁNDOR, HORVÁTH GYÖRGY és KOCSIS FERENC — ötletességének, munkájának eredménye. A már említett első híradásunkat követően kértük fel dr. Kiss Győzőt, lapunk motortechnikai szakértőjét, hogy részletesebben is tájékoztassa olvasóinkat.

A motorizációs fejlődés, a nemzetközi energiahelyzet alakulása és az egyre szigorodó környezetvédelmi előírások jelentős feladatok elé állítják a járműgyártókat is. Különösen az erőforrások terén, a klasszikus felépítésű motoroknak az igények szerinti fejlesztése okoz egyre nagyobb problémát. Ezt igazolva tapasztalhatjuk azt a sokféle útkeresést, amelyek közül a legérdemlegesebbeket röviden felidézzük:

– a tüzelőszerek variációja (methanol, hidrogén, propán-bután stb.),

– a kipufogógázok káros összetevőit csökkentő berendezések (termikus reaktor vagy utánégető, katalizátor, kipufogógázok egy részét visszavezető berendezés),

– a forgódugattyús motorok, 

– a rétegezett keverékkel dolgozó motor (FORD PROCO) illetve előkamrás változattal (HONDA CVCC),

– külsőégésű motorok,

– gőzmotor,

– STIRLING-féle hőlégmotor,

– gázturbinák.

Mindegyik próbálkozás sajátos műszaki, gazdasági és földrajzi környezetben próbál magának utat törni.

Ugyanakkor valamennyi megoldás alapvető célja a teljesítmény előállításának kedvező hatásfoka, jó menetdinamikai tulajdonság feltételeinek motoroldali biztosítása, s a környezetkímélő üzemmód, nem kívánom ezek kiemelésével a biztonságot, a gazdaságos és korszerű kezelési és karbantartási tulajdonságokat — mint további igényt — háttérbe szorítani.

A fenti követelményeket a motor külső méreteinek és súlyának növelése vagy lényeges növelése nélkül kell megoldani. A teljesítményt – mint a legfontosabb paramétert — az első kézenfekvő megoldással, a fordulatszám emelésével lehet növelni! Ezt az utat elsősorban a személygépkocsi-motoroknál követik, és ma már a 6000 percenkénti névleges fordulatszám itt nem ritkaság.
Tömegét tekintve, nagyobb motoroknál ez az út kévésbé járható, és előbb-utóbb a magas fordulatú gépkocsi-motoroknál is eljutnak ahhoz a ponthoz, amikor a fordulatszám gazdaságosan és biztonságosan nem növelhető!
További megoldás lehet, hogy a rendelkezésre álló időtartam alatt több üzemanyagot juttassunk a hengerbe, megfelelő keverékképzéssel, ehhez viszont több levegőre is szükség van, amit a motor a dugattyú által kifejtett szívóhatással már kevésbé tud követni.
Logikusnak látszó megoldásként adódik a már korábbról ismert feltöltés, vagy a töltőnyomás további emelésével előálló túltöltés. Ezeknél a töltő – fúvó, vagy kompresszor – több levegőt juttat a motor hengereibe, mint amennyit a motor önmaga tudna környezetéből beszívni, s ezáltal lehetővé teszi több tüzelőanyag elégését, vagy a hőmérsékletszint csökkentését.

A feltöltést általában teljesítménynövelő eljárásnak tekintik, ez a megítélés kissé egyoldalú. A feltöltés tényleg az egyik leghatásosabb eszköze a teljesítménynövelésnek, de a hőáramlást és a tüzelőanyag-fogyasztást is csökkenthetjük általa. Az előnyei mellett bizonyos gondokat is jelent a turbótöltő (turbó-töltés = a töltő-kompresszort a motor kipufogógázával működtetett turbina hajtja, s ennek tengelye a motor tengelyével nincs mechanikusan kapcsolatban) alkalmazása.

A turbótöltő működési elvéből következik:

– a motor-fordulatszám emelésével szinte egyenes arányban, vagy annál is nagyobb mértékben növekszik a szállított levegő mennyisége ugyanakkor

– minél magasabb fordulatszámon üzemel a motor, annál több a kipufogógáz, annál gyorsabban forog a turbina, és annál több levegőt szállít a kompresszor.

A belsőégésű motoroknak nem ilyen hatáslefolyás szerint van szüksége a levegőre, illetve üzemanyag-keverékre, inkább:

– nagyobb mennyiségű üzemanyagot igényel a motor indításkor és az első sebességfokozatok igénybevételekor, majd

– meghatározott mennyiséget a magasabb sebességfokozatoknál igényelt forgatónyomatékok eléréséhez. 

A turbótöltő az alacsony fordulatszámon még nem, vagy alig szállít levegőt, s ezáltal a motor úgy működik, mint egy klasszikus szívásos-motor. Ha most ettől eltekintünk, és növeljük az üzemanyag mennyiségét, akkor a kedvezőtlen keverékképzés miatt a kipufogógázok káros összetevői növekedést mutatnak, s hasonlóképpen nő az üzemanyag-fogyasztás is, hogy csak a legfontosabbakat említsem.
E nem kívánatos hatások kiküszöbölésére olyan megoldásokkal kísérleteznek, hogy a töltőt nem a motorfordulatszám maximumára hangolják, s így már korábban eléri azt a levegőszállítási értéket, amire szükség van. A magasabb fordulatszámon adódó károsan nagy nyomást pedig egy szabályozó szeleppel korrigálják. Ez a megoldás sajnos energiaveszteséget okoz!
A másik járható út a versenyautóknál, s a verseny-motorkerékpároknál már korábban alkalmazott dinamikus feltöltés. Lényege az, hogy ha megfelelően méretezzük a szívócsövet, akkor a dugattyú sorozatos szívómunkája által keltett lüktető mozgás és a szívócsőben levő levegőoszlop önlengése összehangolható! 
Az így lengésbe hozott levegőoszlop kellő időben a hengerbe jutva növeli a szívás üteme alatt beáramló levegőmennyiséget.

Az AUTÓIPARI KUTATÓINTÉZET már az 1960-as évek elején — akkori nevén Járműfejlesztési Intézet — foglalkozott a dinamikus feltöltést biztosító szívócsőberendezésekkel. A motorikus paraméterek javítása során elért kedvező tapasztalatok adták azt a gondolatot, hogy a turbótöltővel kombinálva, összekötve a két megoldást, kompenzálni lehetne elsősorban a töltőkompresszor alacsony fordulatszámon mutatkozó hiányosságait. Ezzel valójában megszületett a kombinált-feltöltés gondolata, amely a bevezetőben említett találmány lényege.

A gondolat kitűnő volt, a megvalósítás annál nehezebb. Rögtön kiderült, hogy a szükséges alacsony fordulatszámra való hangolás olyan geometriai méreteket igényelt volna, amelyeknek a beépítési helyszükséglete komoly problémát okoz, azontúl ez a relatíve nagy méret a magas fordulatszámnál megnövelte volna a gerjesztésre fordított munkát, továbbá a motor fogyasztását is. A  rezonátor-tartály ötlete, majd alkalmazása egycsapásra megoldotta ezt a problémát, és ezzel a találmány egyik döntő része lett. Az így teljessé váló felépítést a közölt ábra szemlélteti. A rezonátor-tartály segítségével olyan fordulatszámra lehet hangolni a szívócsőrendszert, amit a motor természete megkíván, anélkül, hogy a méretek alapvetően meghaladták volna a hagyományos szívócső méreteit, és a veszteségek sem növekedtek meg. A lényeg bemutatására nézzük a lejátszódó folyamatokat.

A dugattyú a felfelé haladó mozgással kinyomta a hengerből a felesleges égésterméket, és megindul lefelé haladva a szívóütemben. Ennek a mozgásnak az első felében most nemcsak levegőt kell beszívnia, hanem fel kell gyorsítsa a levegőoszlop mozgását, gerjesztenie kell a lengéseket. Ez nyilvánvalóan több

energiát igényel, mint a klasszikus szívás esete. A tovább haladó dugattyú mozgásának második felében a megfelelő lengésszámú levegőoszlop eléri lengésének csúcsnyomását. Ez a nyomás a többlet levegőmennyiséget a dugattyú alsó holtpontja körül, részben azon túl is valósággal bepréseli a hengerbe. A most leírt folyamat jellemző arra a fordulatszámra, amire a rezonanciarendszert hangolták, amit egyébként rezonancia-fordulatszámnak hívnak.

A magasabb fordulatokon gyökeresen megváltozik a kép azáltal, hogy a dugattyú siet a lengésekhez képest, aminek folytán a dugattyú szívóütemének a végén a levegő már nem éri el a szívószelep nyitvatartását, vagy annak közel a végére került az a mozzanat, amikor a lengésekkel felgyorsult levegő be akar préselődni a hengerbe.

Ekkor már a szívószelep átömlési keresztmetszete kisebb, nem engedi be ezt a többletnyomást, így annak energiája a szelepzárás után nem hasznosítható. Ezek után világos, ha az egyes hengerekre egyenként szerelt csöveken nem változtatunk, akkor az elkésett levegőmozgás csak energiát emészt fel, de a szükséges levegőmennyiséget a magasabb fordulatokon nem adja.

Ezért vált szükségessé az úgynevezett rezonátortartályok beiktatása. Ennek az a lényege, hogy 3-4 henger kapcsolódik egy-egy rezonátortartályhoz. Itt tehát a lengást nem egy csőben, hanem a rezonátortartályban és a csőben áramló gáz együttesen végzi. Ebből következik az is, hogy itt több henger együttes munkáját lehet az optimális szerkesztés érdekében figyelembe venni. Az alacsony fordulatoknál, a rezonancia-fordulatszám körül és ez alatt az előbb elmondottakhoz viszonyítva nem változik lényegesen a helyzet.

Alapvető viszont a változás a magas fordulatszámoknál. Ennél az esetnél az előbb azt állapítottuk meg, hogy a késésben levő lengés nem éri el a szívószelep nyitvatartását. Most azonban a többletnyomás nem vész el, hanem megmarad a rezonátortartályban, és a következő henger szívószelepének nyitását ez a levegőmozgás még meg is előzi. A helyzet tehát most az, hogy a már korábban az egyik dugattyúval felgerjesztett levegő nagy nyomása következtében most a másik hengerbe áramlik nagy sebességgel, és szinte tolja maga előtt a dugattyút. Ennek a dugattyúnak tehát a szívási ütem első felében alig kell munkát kifejtenie, ennek nagy részét átveszi tőle az előző dugattyúval gerjesztett levegő mozgása.

További eredménye ennek a megváltozott lengésfázisnak az, hogy a nagynyomású friss levegő a szívószelep nyitásával együtt áramlik be a hengerbe, tehát akkor, amikor a kipufogószelep is még nyitva az úgynevezett öblítés elősegítése végett. Kézenfekvő, hogy ez a helyzet a magas fordulatoknál az öblítő-levegő növekedését eredményezi. Ugyanakkor az is fennáll, hogy részben az öblítő-levegő mennyiségének növekedése, részben pedig annak következtében, hogy a dugattyúmozgás második fázisában, a már bezárt szívószelep-állásban a nyomásmaximum, az égéshez szükséges levegő relatív mennyisége (kitöltési tényező) csökken. 

Az AUTÓIPARI KUTATÓINTÉZET motoros szakembereinek a találmányát közel 30 országban védi szabadalom. A kezdeti óvatos fogadtatás után felgyorsult a tempó!

A RÁBA, a MAN, a VOLVO, a svájci SAURER után észak-amerikai és japán tehergépkocsigyárak rendelték meg a kombinált feltöltésnek motorjukra való alkalmazását. Bekapcsolódtak a személygépkocsi-motorokat gyártó cégek is, először a különleges gépkocsikat gyártó ALPINA jelent meg a piacon benzinüzemű személygépkocsijával, de rövidesen más dízel- és benzinüzemű személygépkocsikon is találkozhatunk az eljárás alkalmazásával. Addig is, a megvalósítás konkrét adataival, ábráival illusztráljuk az eddig megtett utat.

A találmány, napjaink motorikus problémáit nézve, rendkívül nagy jelentőségű. Maguk a feltalálók is hangsúlyozzák azonban, hogy nem “csodaszer”, nem minden motorikus problémára “orvosság”.

A legoptimálisabb alkalmazási módok feltárása, adott motortípusokra való adaptálása most folyik. Azt azonban rögzíthetjük: ahhoz, hogy az elkövetkezendő 10-15 évben a klasszikus belső-égésű motorok gazdaságosan, a követelményeknek megfelelően üzemeljenek és a motorgyártás jól prosperáljon, többek között a turbótöltő és a rezonianciafeltöltés kombinációja, azaz a kombinált feltöltés is nélkülözhetetlen lesz!

DR. KISS GYŐZŐ

a Közúti Közlekedési
Tudományos Kutatóintézet 
tudományos igazgatóhelyettese