Prihodnost motorja z notranjim zgorevanjem

Bo ali ne bo – ropotalo?

4. 1. 2010

Kratka zgodovina

Brez skoka v zgodovino težko vidimo v prihodnost. Pravzaprav načeloma sploh ni pomembno, kdaj so naredili prve motorje z notranjim zgorevanjem (MNZ), pomembneje je, kdaj smo jih začeli uporabljati.

A vseeno: začelo se je v 13. stoletju pri Kitajcih in po zgodovinskih zapisih se je takrat zgodila tudi prva vožnja (no, pravzaprav vzlet), ki se ni prav dobro končala za 'voznika'. Govorim namreč o preprostem enostranskem motorju z notranjim zgorevanjem – raketi.

Potem se je pojavil še drugi tip enostransko enkratno delujočega batnega stroja (top, puška), in če tole malce skrajšamo, pridemo do leta 1862, ko je bil prijavljen patent za štiritaktni motor z vžigom (A. Beau De Rochas). Za tem prideta na vrsto Nicolas Otto z izvedbo štiritaktnega motorja in sir Dugald z izvedbo dvotaktnega motorja.

Pri tem ne smemo pozabiti Etienna Lenoira, ki je svoj dvotaktni motor vgradil v čoln. Nato pride na vrsto 1980 Akroyd Stuard s patentom za sistem vbrizgavanja v motor z vžigom na stisnjeni zrak in 1893 se pojavi ime Rudolf Diesel, ki je tak motor naredil – torej motor z vžigom na stisnjeni zrak oz. dizelski motor.

Povemo naj še, da danes tistih vozičkov, ki so jih poganjali vzmet, para, smodnik in veter, ne omenjamo več; morda se nam zdi to preveč primitivno!

Če hočemo povezati sedanje gledanje na pogone in vozila, ne smemo mimo alternativnih pogonov ali – enostavno povedano – zgodovina se ponavlja. Že leta 1894 so se vozili z električnim vozilom in celo tako daleč je šlo, da je imelo eno od teh vozil gnano vsako kolo posebej z elektromotorjem – še v drugem tisočletju nismo prišli tako daleč!

Tudi hibridni pogon so poznali leta 1906, in sicer kombinacijo MNZ in elektromotorja z regenerativnim zaviranjem, in končno še dva alternativna pogona: iz leta 1952 plinska turbina in leta 1964 Wanklov motor. Ker pa pravijo, da je v vsaki šali malo resnice, lahko rečemo, da se od leta 1950 z MNZ ni dogajalo nič bistveno novega, razen spreminjanja materialov in elektrike, ki je bila kasneje preimenovana v elektroniko.

Ne smemo pozabiti še na domoljubje in omeniti vsaj enega moža – Janeza Puha, ki je prispeval celo vrsto patentov na temo motorjev in vozil. Omenimo samo dva: patent za bokserski motor (že leta 1909) in dvobatni dvotaktni motor. Zagotovo pa bi se še našel kdo, ki je segel čez našo mejo.

Da ne bi preveč zašli v zgodovino, omenimo še nekaj stopničk v razvoju motorjev, ki imajo vpliv še danes. Začnemo lahko z vbrizgavanjem goriva v letu 1896, ko so pri Deutzu v valj vbrizgavali petrolej. V letu 1909 se je pojavilo turbopuhalo (Alfred Buchi), leta 1911 pa je Henry Peugeot naredil vzorec za vse današnje motorje F1.

Če odšteje nam danes logične naprave in rešitve (kot so vžig, zaganjalnik, aluminij kot gradnik), so začeli vbrizgavati bencin neposredno v valj v letu 1936.

Istega leta so pri Mercedesu v osebno vozilo vgradili dizelski motor, turbopuhalo se je uveljavilo pri osebnih vozilih 1962 (Corvair Monza), nato sledi elektronski vbrizg leta 1967 (VW 1600 TL), v letu 1976 Volvo uporabi tristezni katalitični pretvornik, v 80. letih se pojavijo elektronsko krmiljenje (SAAB), spremenljivi koti krmiljenja ventilov (Alfa Romeo), pnevmatski pogon ventilov (Renault F1), neposredno vbrizgavanje pri malih dizelskih motorjih za vozila (Fiat), leta 1995 diagnoza delovanja motorja OBD (Porsche), leta 1997 vbrizgavanje goriva s skupnim vodom (Alfa Romeo) . .

Za naprej pa nam obljubljajo elektromagnetno gnane ventile, tlake vbrizgavanja pri dizelskem motorju do 3.000 barov, vžig zmesi z laserjem ali s hladno plazmo, motorje s spremenljivim prostorninskim razmerjem, razkroj škodljivih plinov s pomočjo hladne plazme, nadzorovan samovžig goriva – homogeno zgorevanje – in še bi se kaj našlo.

Prihodnost MNZ

Zanimivo je, da so MNZ doživljali vzpone in padce v povezavi s cenami goriva in predpisi, ki so v zadnjem času vse bolj omejujoči pri določanju zgornje dopustne meje onesnaževanja. Prav ti vzponi in padci tudi določajo naraščanje ali upadanje novih idej in patentov na vedno zanimivo temo o zmanjšanju porabe goriva in povečanju moči, kar je mogoče doseči samo s povečanjem učinkovitosti motorja.

To po malem spominja na zgodovino živalskih vrst, ko ena izgublja tla pod nogami in se druga vzpenja na lestvici sposobnosti preživetja. Poglejmo si v oči in si priznajmo, da se MNZ neopazno poslavlja (ne sicer že jutri), ampak začelo se bo pri majhnih motorjih, ki jih bodo nadomestili elektromotorji, in se seveda nadaljevalo do večjih.

Vmes se bodo pojavljali trzljaji, in sicer v obliki različnih prijemov za zagotovitev varčnosti, ampak to ne gre v nedogled. Hibridni pogoni, kot se pojavljajo danes, se bodo prelevili iz razmerja, ko MNZ še prevladuje, v razmerje, ko bo glavni pogonski stroj elektromotor; na koncu bo namesto MNZ ostala baterija ali gorivna celica.

S stališča današnjega poznavanja problematike ne moremo govoriti o skorajšnji spremembi pogonov pri močnejših ladijskih motorjih, letalskih pogonih in morda tudi pri večjih stabilnih motorjih, a tudi pri izvedbah v vozilih še nekaj časa ne bo odločilnega pre­obrata ali zamenjave pogonskih agregatov.

Malo o novih konceptih

Dobesedno se MNZ v boju za obstanek bojuje z novimi idejami, ki brez izjem ponujajo večjo moč, ugodnejši potek navora in seveda manjšo porabo goriva. Vsem novotarijam je skupna dodana komplikacija v konstrukciji, ki je glede na izvedbo bolj ali manj poudarjena, hkrati pa poskušajo biti rešitve na pogled čim bolj klasične, saj imajo le tako nekaj možnosti za prodor.

Z drugimi besedami lahko rečemo, da je danes že 'prepozno' za uvedbo drugačne konstrukcije motorja, kot smo je že navajeni, zato imajo le malo možnosti za uveljavitev na trgu.

Ko govorimo o prihodnosti česarkoli, v našem primeru pa seveda motorjev, je zanesljivost napovedi večja za krajše obdobje in manj zanesljiva za daljše obdobje. S tega stališča je zanimiva zgodovina preteklih in sedanjih dogodkov, ker lahko na osnovi tega bolj zanesljivo predvidimo nadaljnje dogodke v razvoju motorjev.

Če povzamemo 10-letno analizo patentov evropskega patentnega urada, si lahko prikažemo dogajanje v avtomobilski industriji, kdo so glavni akterji in na katerem področ­ju. Znova je treba spomniti, da je osnovna ideja patentov ekonomija ali manjša poraba goriva in manjše onesnaževanje z izpusti strupenih plinov, zato jih največ obravnava izboljšave:

  • neposrednega vbrizgavanja goriva,
  • hibridne tehnologije,
  • nadtlačnega polnjenja,
  • krmiljenja kotov odpiranja ventilov.
Pri tem so največ izumov prijavili:

  • Japonci so razvijali predvsem hibride, neposredno vbrizgavanje in krmiljenje ventilov.
  • Evropejci so prijavili največ patentov za neposredno vbrizgavanje goriva, nadtlačno polnjenje in krmiljenje ventilov.
  • Američani pa so se posvetili nadtlačnemu polnjenju, neposrednemu vbrizgavanju in na koncu krmiljenju ventilov.

Največ patentov prijavijo Toyota, Bosch in Nissan, pri tem pa je značilno, da na Japonskem, v Koreji in v ZDA prijavljajo patente izdelovalci vozil, v Evropi izdelovalci avtomobilskih sklopov in na Kitajskem univerze. Če strnemo v točke, so zanimive teme za patente naslednje:

  • nadtlačno polnjenje,
  • neposredno vbrizgavanje in krmiljenje kotov ventilov,
  • spremenljivo prostorninsko razmerje,
  • strategija vbrizgavanja,
  • alternativna goriva, plinasta goriva, dvo- ali večgorivni motorji,
  • zmanjšanje trenja, obvladovanje toplote, mehanska odpornost,
  • hibridi,
  • vračanje izpušnih plinov.

Cilj predstavljenih konceptov je namenjen uporabi pri motorjih z zmanjšano prostornino ('downsizing'). Ko govorimo o lastnostih motorjev, narejenih po predstavljenih konceptih, ugotovimo, da so si precej podobne, deloma tudi zato, ker se izdelani prototipi šele ponujajo možnim uporabnikom – izdelovalcem vozil. Iz tega jasno izhaja, da poskušajo prikazati lastniki patenta samo najboljše lastnosti, vendar ne smejo preveč pretiravati.

Tako vsi ti koncepti obljubljajo med 20 do 30 odstotkov manjšo porabo goriva in posledično tudi manjši izpust CO2. Moč teh motorjev s primerljivimi konvencionalnimi je še enkrat večja ali pa enaka kot pri motorjih s še enkrat večjo prostornino.

Omenjenim konceptom je edinstveno tudi manjše porabljeno delo pri zamenjavi snovi. Podobnosti oziroma hkratnosti najdemo tudi v časovnih obdobjih, ko so koncepti nastajali ter v zasledovanju ciljev, izboljšav in načina reševanja.

Zanimivo je tudi, da skoraj nobeden od novih konceptov neposredno ne pomeni reševanja zgorevanja, ampak ta problem rešujejo posredno prek načina spreminjanja prostorninskega razmerja, podaljšanja širjenja medija in krmiljenja vtoka in iztoka medija.

Le redki izumi se lotevajo neposrednega vplivanja na dogajanje v valju, kot so homogen vžig, laserski vžig, plazemski vžig, oblikovanje zgorevalnega prostora . .

V celoti gledano nobena od teh poti ne omogoča bistvenega izboljšanja delovanja motorja, kot ga že poznamo. Kar si želimo, so čim bolj preprosta konstrukcija spreminjanja prostorninskega razmerja in krmiljenja ventilov z minimalnimi mehanskimi izgubami, čim večji toplotni učinek, doseganje visokih tlakov, majhne toplotne izgube in čim boljše vodenje ter spremljanje procesa v valju, na kar večina izumiteljev 'pozablja', ker je to zadnje najtrši oreh.

Z nekaj besedami lahko povzamemo, da se bomo še kar nekaj časa vozili s stroji, ki ropotajo, le počasi bomo menjali bencin za elektriko; vmes bo še nastopala kombinacija obeh pogonov, kar pa bo trajalo kar nekaj časa, razen če nas seveda kaj ne preseneti – če bi se morali odločiti, ali se voziti ali živeti.

Ampak ne nazadnje in izključno za prave ljubitelje: ropot kakšnega nizkega rdečega vozila je pa tudi balzam za moško dušo. Z električnim motorjem se tega ne da doseči.

Gradnja motorjev

Da bi bolje razumeli stanje MNZ danes, si oglejmo, kaj lahko storimo za izboljšanje njegovih lastnosti, ki so nekakšen kompromis med močjo, porabo goriva, onesnaževanjem in zanesljivostjo. Pri tem običajno izhajamo iz izraza za moč motorja:

P = Vm x pe x n/K, in si pri tem postavimo omejitve za manjši sodoben MNZ: prostornina od 0, 8 do 1, 4 l, vrtilna hitrost do 5.000 ali največ 6.000/min, srednji tlak pa naj bil čim višji, kar je mogoče pri štiritaktnem motorju doseči samo z nadtlačnim polnjenjem kljub nekaterim svetlim trenutkom dvotaktnega motorja. Prav bi bilo, da si zdaj ogledamo posamezne dejavnike v zgornjem izrazu:

  • Prostornina motorja (Vm) naj bi bila torej okoli 0, 8 do 1, 4 l, število valjev, postavljenih v kompaktno celoto, naj bi bilo čim manjše – dva ali tri, razmerje premera in giba bata naj bi bilo približno kvadratno ali v korist nekoliko daljšega giba. Take zahteve omogočajo manjše mehanske izgube, manj valjev pomeni manjšo moč, poleg tega se lahko pojavijo tudi težave z mirnostjo teka motorja.

  • Vrtilna hitrost (n) naj ne bi presegala vrednosti med 5.000 in 6.000/min, kar je ponovno v prid manjšim mehanskim izgubam, a na žalost je zato manjša tudi moč. To lahko popravimo z nadtlačnim polnjenjem, s katerim lahko v teh pogojih dosežemo tudi enakomernejši potek navora.
  • Srednji tlak (pe) je odvisen od količine medija v valju, kar najlažje dosežemo s ­turbopuhalom ali z mehanskim puhalom. Po drugi strani na tak način dosegamo visoke tlake v valju, kar povzroča tveganje za nepravilno zgorevanje (klenkanje) in zahteva tudi masivnejšo gradnjo ohišja motorja. V tem primeru prideta v poštev tudi spremenljivo prostorninsko razmerje in izkoriščanje Millerjevega procesa. Visok srednji tlak je kljub omenjenim omejitvam edina rešitev v primeru zmanjšanja prostornine motorja.

  • Taktnost motorja (K) se kljub nekaterim dobrim lastnostim dvotaktnega motorja v današnjem obdobju ne nagiba k temu, ampak celo v nasprotni smeri: torej govorimo lahko o pet-, šest- ali večtaktnem motorju . .
AtkinsonovegaMillerjevega

Podobno zamisel ima drugi, Millerjev proces, le da je izvedba bolj preprosta, brez dodatnih mehanizmov. Pri Millerjevem procesu namreč dosežemo razliko v dolžini giba pri stiskanju in širjenju medija z nastavitvijo sesalnega ventila.

Sesalni ventil nastavimo tako, da se predčasno odpre ali prepozno zapre, kar nas deloma spominja na krmiljenje pri dvotaktnem motorju z vzvratnim izpiranjem. Ker je v tem primeru polnjenje valja slabše, si moramo pomagati s puhalom, da napolnimo valj z zadostno količino medija.

Prednosti so manjše izgube pri izmenjavi snovi ter nižje temperature zgorevanja in s tem manjše koncentracije dušikovih oksidov. Tak proces danes uporablja Toyota pri svojem hibridnem vozilu Prius, prav tako je to realna možnost pri drugih izdelovalcih motorjev. Omeniti je treba, da imata Atkinsonov in Millerjev proces enak cilj, vendar sta izvedena različno, kar v reklamah spregledajo; v praktičnih izvedbah gre praviloma za Millerjev proces.

Končno oceno o gradnji motorja določa kompromis med zmogljivostjo in ceno. Pogoji za nižjo ceno motorja so manj uporabljenega materiala in uporaba cenenega materiala, preprostejša gradnja s čim manj zapleti in v večjih serijah, kar velja zlasti za manjše motorje.

Zaradi tega se tovarne otepajo konstrukcij s spremenljivo geometrijo, ker je še vedno mogoče dosegati želene lastnosti na cenejši način. Eden zadnjih takšnih primerov je Fordov mali trivaljni motor, ki ima vse znane tehnične rešitve, k znižanju cene pa prispevajo tudi minimalne hladilne površine (beri: za gradnjo motorja je porabljenega manj materiala).

Najnovejši Fordov izdelek, trivaljni motor

Pri nekoliko večjih motorjih so pričakovanja usmerjena k izpeljavi homogene priprave zmesi oziroma homogenega zgorevanja. V tem primeru gre za tako pripravo zmesi in kasneje zgorevanja (kar je zelo podobno stanju samovžiga, torej po domače dizlu), za kar je potrebna zelo enakomerna razporeditev goriva po prostoru, ki se v primernem trenutku samo vžge ali pa delno s pomočjo vžigalne naprave.

To je mogoče doseči le, če so pogoji v valju primerni za samovžig, česar pa ni preprosto doseči in je za zdaj nemogoče v celotnem območju obremenitve motorja. Pri nadzorovanem samovžigu se pojavijo podobni pogoji kot pri nepravilnem vžigu – klenkanje.

Samo zgore­vanje (in s tem povišanje tlaka) je izredno hitro, zaradi kratkega časa se pojavijo nižje temperature (zgorevanje s hladnim plamenom), toplotne izgube so manjše in posledično so manjši tudi izpusti NOx. Zaradi homogene priprave in revne zmesi se pojavi minimalna količina CO in HC, razmeroma visoko prostorninsko razmerje in revna zmes pa povečata toplotni izkoristek motorja.

Kljub napovedanim in obetanim prednostim je tak proces zelo težko nadzorovati in nemogoče izpeljati v celotnem področju delovanja motorja, kar še posebej velja pri zagonu in hladnem motorju. Realno je pričakovati, da bo tak postopek priprave in zgorevanja prišel v uporabo, vendar prednosti ne bomo mogli v celoti izkoristiti.

Malo o gorivih

Ob vsaki krizi z gorivi, to je ob podražitvah, se najdejo črnogledi, ki napovedujejo, da bo prihod­nje leto zmanjkalo nafte. Edino, kar je danes znano o tem, je, da dostopna črpališča presihajo, v težje dostopnih pa je še dovolj nafte in prav zaradi tega je oziroma bo dražja.

Kot rešitev se ponujajo alternativna goriva, kar je, roko na srce, samo zamegljevanje problema. Preprosto povedano: ko gre za alternativna goriva, se moramo pogosto vprašati, ali se želimo voziti ali jesti. Ta trenutek je videti, da so ljudje pravočasno spoznali lažno dilemo in se bolj nagibajo k hrani, kar je pripeljalo do tako imenovanih alternativnih goriv druge generacije.

To pomeni, da se goriva (predvsem etanol) pridobivajo iz rastlin. Ne glede na to tudi precejšen del alternativnih goriv vsebuje ogljik, zato še vedno izpuščamo v ozračje CO2, proti temu pa se v osnovi bojujemo. Iz tega izhaja, da se bodo alternativna goriva uporabljala tam, kjer bo to ekonomsko ali na kakšen drug način upravičeno.

Danes pravzaprav kot edino pravo gorivo prihodnosti, če ga lahko tako imenujemo, vidimo le vodik. Pred tem se moramo znebiti še sindroma Hindenburga oziroma moramo začeti pravilno tolmačiti preprost osnovnošolski poskus s pokalnim plinom. Druge omejitve pri uvajanju vodika so predvsem nerazvita infrastruktura.

V srednjeročnem obdobju lahko računamo z različnimi alternativnimi gorivi, recimo plini, tekočimi gorivi, pridobljenimi iz odpadkov, in morda trdimi gorivi, kot so neposredno lesni odpadki ali destilati lesa.

Aci Bizjan, Vinko Kernc, foto:? Arhiv AM