A benzinmotorok fejlődése: a Lucas rendszerektől a modern befecskendezés kihívásaiig
A benzinbefecskendezési technológia fejlődése hosszú utat járt be, az úttörő kezdetektől a modern, bonyolult rendszerekig. Ennek a fejlődésnek egyik kulcsszereplője a Lucas cég volt, amely jelentősen hozzájárult a benzinbefecskendezés elterjedéséhez, különösen a versenysportban.
A Lucas cég története és úttörő szerepe a benzinbefecskendezésben
A Lucas cégcsoport anyavállalatát Joseph Lucas (1834-1902) Harry fiával együtt, 1872-ben alapította Birminghamben. A vállalat gyorsan fejlődött, magába olvasztott számos céget, így például a SIMMS (Frederick Richard Simms), a Girling (Albert H. Girling), valamint a Rotax cégeket, melyek külön-külön is ismertek az autótechnika veteránvilágában. A Charles Anthony Vandervell nevét viselő CAV-ot pedig 1926-ban vásárolta meg. A Lucas CAV nevet 1978-ban vette fel. A Lucas Industries plc 1996 augusztusában beolvadt az észak-amerikai Varity Corporation-be, létrehozva a LucasVarity plc-t. A vállalat 2000 óta a Delphi Inc tulajdonában van, régi nevét nem örökítették át.
A Lucas cég nemcsak a dízeltechnikában (CAV vállalata révén), hanem Lucas néven a benzinbefecskendezési technikában is élenjáró volt. Mikor 1956-ban szívócső-benzinbefecskendező rendszerével - Lucas Petrol Injection System - a Jaguar D-Type versenyautó motorjánál színre léptek, a cég mérnökei elmondták, hogy már 15 éve fejlesztenek, és katonai járművekben ki is próbálták a rendszert. 1957-ben a Le Mans-i 24 órás versenyt I. Bueb és R. Flockhart Jaguar D-Type (XKD) autóval, Lucas benzinbefecskendezéssel megnyerte.
A Lucas mechanikus benzinbefecskendező rendszerével sokáig uralta a versenypályákat például - hogy csak a legnagyobbakat említsük - Jim Clark, Graham Hill, Denis Hulme, Jack Brabham vezette Lotus-Climax, B.R.M., Repco-Brabham, Cooper-Maserati autókkal. De nemcsak a Formula 1-ben, más versenyágakban is jeleskedett a Lucas benzinbefecskendezés, így például Triumph, Ferrari, Lotus, Maserati, Chevy márkák modelljeiben, és például a Can-Am vagy a F5000 versenysorozatokban. Az 1966-67-es versenyszezonban az első három helyet szinte minden Grand Prix-n Lucas Mark I benzinbefecskendezéssel szerelt autó érte el, és 1967-től szinte valamennyi versenyautó Lucas befecskendezésű volt.
Lucas Petrol Injection Mark I és Mark II rendszerek
A Lucas mechanikus, kisnyomású, szívócső-benzinbefecskendezés (P.I.) Mark megnevezést és I. és II. generáció jelölést kapott. Az írásmód igen változatos, így például MKI, MK I, MK-I, MK1, Mk1 jelölésekkel találkozunk, melyek azonos rendszert jelölnek.
Ismerje meg az autózás kezdeteit hazánkban
- A Mark I versenyautókhoz és nagy lökettérfogatú sorozatgyártású autókhoz készült.
- A Mark II a Mark I rendszer kisebb lökettérfogatú, sorozatgyártású autókhoz továbbfejlesztett változata. Mark II befecskendezést kapott például a Triumph 2,5 literes saloon-ja és a ‘TR’ sportkocsi. A Mark II P.I. rendszer 150 „b.h.p.”-ig volt alkalmas tüzelőanyagellátásra, szolidabb teljesítőképessége ellenére megőrizte a versenypályákra készült Mark I valamennyi jó tulajdonságát - mint azt a korabeli leírásokban olvashatjuk.
A Lucas Mark I és Mark II rendszerekkel szerelt típusok
| Rendszer | Típusok és motorok |
|---|---|
| Lucas MK I | Jaguar XKD (1956), Ecurie Ecosse XKD (1956), XKE Light Weight, Maserati 3500 GT Iniezione, Sebring, Mistral, Alfa-Romeo Tipo 33 1968 V-8, 2 liter. |
| Lucas MK II | Triumph TR-5 PI (1967-1968), Triumph TR-6 PI (1968-1976), Triumph 2.5 PI Saloon/Estate, Ford/Cosworth 4 és 8 hengerű FVA/FVB versenymotor, Ferrari V-8 versenymotor, Ferrari 12 hengerű versenymotor. |
A Maserati előszeretettel alkalmazta a Lucas Mark I benzinbefecskendező rendszert. A főbb motortípusok: ENGINE TIPO 5000 GT (gyártási év: 1960-1964.), ENGINE TIPO 3500 GT (gyártási év: 1961-1964.), ENGINE TIPO 8 (gyártási év: 1963.), ENGINE TIPO 9 (gyártási év: 1966.).
A benzinbefecskendezés előnyei és hátrányai a hatvanas években
Dr. Bujtor Jenő írta a hatvanas években, az Autó-Motorban: „A benzinbefecskendezés alkalmazása a gépjárműmotoroknál ma még teljesen nyitott kérdés. Kétségtelen ugyan, hogy magát a befecskendezési eljárást vizsgálva számos előnyt állapíthatunk meg. Így a szívóütemek alatt jobban feltöltődnek a hengerek, mert nincs karburátor, mely szűk torokmérete következtében fojtást okozna. Többhengeres motoroknál is könnyen biztosítható az, hogy az egyes hengerek azonos mennyiségű és minőségű keveréket kapjanak. A benzinbefecskendezésnek eddig csak az előnyeit ismertettük, mely végső fokon nagyobb teljesítményt és kedvezőbb tüzelőanyag-fogyasztást biztosítanak. A mérleg másik oldalán, a hátrányok között a komplikáltabb szerkezet és az ebből következő drágább előállítás, nagyobb meghibásodási valószínűség, továbbá a rövid élettartam és a szervizellátási nehézségek állnak.”
A szívócsőbe irányuló befecskendezésnél általában 6-10 atmoszféra nyomást, míg közvetlenül a hengerbe való befecskendezésnél 60-80 atmoszféra nyomást szokás alkalmazni. Négyütemű motornál nem tapasztalható lényeges különbség a teljesítmény, a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás vagy egyéb motorikus jellemzők tekintetében a szívócsőbe vagy a hengerbe irányuló benzinbefecskendezés között. Az újabb benzinbefecskendező rendszerek között ezért egyre inkább az alacsony nyomású, szívócső-befecskendezéssel találkozunk, amely különösen az élettartam szempontjából előnyösebb. Ilyen elven működik az új Bosch és a Lucas benzinbefecskendező rendszer is.
A korabeli leírás így folytatódik: „A Lucas rendszerű benzinbefecskendezés szintén a szívócsőbe történik. Vázlata az 1. ábrán látható.”
2 stroke engine animation
A Lucas Mark II benzinbefecskendező rendszer működése
Cikkünkben a Mark II rendszert elemezzük részletesebben, mert elsősorban a Triumph autók kerülhetnek hazai veteránrestaurátor-műhelyekbe. A működésleírás nyomon követéséhez nézzük meg a 3. ábrát. A benzinbefecskendezéshez szükséges 7-7,5 bar állandó nyomást, a légtelenítést is ellátó (2) benzinszűrő közbeiktatásával az (1) benzintartályhoz kapcsolt, speciális (3) villamos tápszivattyú hozza létre. A nyomószivattyúként kialakított tápszivattyú állandó mágneses villamos motorból áll, amelyhez egyszerű fogaskerekes szivattyú csatlakozik. A hozzávetőleg (4) A-es áramfelvételnél a szivattyú 55 dm3/h benzint szállít. A szivattyú bekapcsolt gyújtás esetén állandóan működik, szívóoldalába járulékos finomszűrő van beépítve. A szivattyú a tüzelőanyagot egy túlnyomásszelepen keresztül a mennyiségelosztóba nyomja. A szállított többletmennyiség a túlnyomásszeleptől a finomszűrőkhöz vagy közvetlenül a tartályba kerül vissza. Túlfolyóvezetéken át a mennyiségelosztótól szintén benzin folyik vissza a tartályba. A túlnyomásszelep a rendszernyomást 7-7,5 bar értéken tartja. A túlnyomásszelepen keresztül jut a tartályba az esetleges levegő- és gőzbuborék is.
Markus Bonto és az autóalkatrész szektor
Jelen kivitelnél a (6) gyújtáselosztó által hajtott (5) forgóelosztós rendszer csak a (4) vezérlőmechanizmus és a (7) depressziós szabályozó által meghatározott benzinmennyiséget osztja el a gyújtás sorrendje szerinti henger (8) nyomócsöve, ill. (9) porlasztója felé. A forgó mennyiségelosztó alumíniumházban van, kifelé gumi tömítőgyűrűk tömítik. A visszacsapószelepekkel ellátott tüzelőanyag-csatlakozások a házban megfelelő furatokkal az elosztóhüvellyel vannak összekötve. Az elosztóhüvely forgórészét konstrukciós kiviteltől függően, többféle megoldással hajtják. Fordulatszáma a motor fordulatszámának a fele.
„E rendszer adagolóelemei löketszabályozás kivitelűek. A tüzelőanyag-levegő keverési arány helyes értéken tartását itt a fojtószelep állásának megfelelően működő pneumatikus regulátor biztosítja. A regulátor mellett itt is megtalálhatók a szükséges korrektor berendezések. A befecskendezőszivattyú elemének működéselve a 2. ábrán látható. Az ábra egy kéthengeres adagoló- és elosztóelemet mutat. E megoldás áll egy álló hengerből, egy forgó hengerből, továbbá a forgó hengerben mozgó dugattyúkból. Ezek közül az egyik rögzítve van, a másik a töltést szabályozó ferde él által eltolható, a harmadik a tápnyomás hatására az előző két dugattyú között mint határütköző között ide-oda mozog.”
„A 2/a ábrán a tüzelőanyag a szabályozó ütköző oldalán ömlik be és a dugattyút az álló ütköző felé tolja, miközben az 1-es henger szívószelepe elé fecskendez tüzelőanyagot. A 2/b ábrán a forgó henger 180o-kal elfordult, most az álló ütköző felől ömlik be tüzelőanyag és a 2-es henger kap befecskendezést. A befecskendezett tüzelőanyag mennyisége a mozgó ütköző elállításának és az így létrejövő löket hosszváltozásának megfelelően változik. Az ide-oda mozgó dugattyúk, valamint az ezekhez szükséges ki- és beömlőnyílások számának növelésével a szerkezet a kívánt hengerszámnak megfelelően kialakítható.”
„Az előzőekben ismertetett befecskendező-rendszer az összes szerkezeti rész kifogástalan működése esetén kétségtelenül biztosítják a motor minden üzemállapotában a legmegfelelőbb tüzelőanyag-levegő keverék létrejöttét. Ha azonban e bonyolult szerkezeteket a hagyományos karburátorok mellé állítjuk, akkor a mérleg mindkét serpenyőjébe súlyos érvek helyezhetők el. A karburátor fő előnye, hogy alig van kopó alkatrésze, legfeljebb a fojtószeleptengelynél vagy a tűszelepnél léphet fel kopás, üzemzavart csak a szennyeződés, dugulás okozhat, ez pedig könnyen kiküszöbölhető. A befecskendezéses eljárásnál az előny abban az 5-10%-os teljesítménynövekedésben és fogyasztáscsökkenésben található meg, melyet jelenleg még csak igen komplikált, kényes szerkezetek tudnak biztosítani. Ezért nem valószínű, hogy a benzinbefecskendezés a sport vagy egyes nagy teljesítményű kocsik területén túl a közeljövőben szélesebb körben elterjedjen.”
Siegfried Marcus és az automobil úttörő korszaka
Nem érdemes vitát nyitni arról, hogy melyik volt a világ első autóformájú gépezete, amit nem lovak húztak és nem gőz hajtott. Meglehet, a bécsi Siegfried Marcus már 1870-ben, évekkel, akár egy évtizeddel is Benz és Daimler előtt megépített egy automobilt. Azt biztosra vélik, hogy összerakott egy benzinmotoros járműszerkezetet, amely a rossz nyelvek szerint, inkább hasonlított egy segédmotoros talicskára, mint sem egy automobilra. Valószínű, nem volt se fékberendezése, se kuplungja, talán kormánya sem.
Toyota Auris hibrid részletes adatok
A második, úgynevezett "MARCUS-WAGEN" azonban már egy négykerekű, benzinmotor hajtotta automobil volt. Az mindenképpen bizonyos, hogy a Marcus tervezte járgány közvetlen elődje volt a mai fogalmaink szerinti automobilnak, hiszen egy autó alapvető jellemző tulajdonságait mutatta fel: benzines motor hajtotta, a kormány által az első kerekek fordíthatóak és kormányozhatóak voltak. Szerencsére az autó nem tudott gyorsan haladni, alig néhány kilométeres sebességgel csupán. Állítólag Marcus használta is az automobilját, méghozzá éjszaka. Bécs és Klosterneuburg között járt egy darabig, míg fel nem jelentették csendháborításért. Az autó ugyanis olyannyira hangos és lármás volt, hogy végül Marcus nem használhatta. A MARCUS-WAGEN replikáját a bécsi Műszaki Múzeum (Technisches Museum Wien) közreműködésével kutatók, mérnökök, műszaki szakemberek állították össze.
A modern benzinmotorok kihívásai és a jövő
Az autóipar egyre inkább az elektromos hajtás felé fordul, mégis a belső égésű motorok, különösen a benzinmotorok, továbbra is relevánsak. Azonban az emissziós normák szigorodása és a technológiai fejlődés új kihívásokat teremt.
Közvetlen befecskendezéses benzinmotorok (GDI) környezeti hatásai
A modern közvetlen befecskendezéses benzinmotorok (GDI) esetében a szívószelepek kokszosodása az egyik sajátosság. Ennek szakszerű javítása a motor részleges, vagy teljes szétszedésével jár. A GDI motorok egy „áldásos találmány”, amitől kevesebbet fogyaszt és jobban megy az autó, de a károsanyag-kibocsátás drasztikusan romlott. Magas nyomással benzint fecskendeznek közvetlenül az égéstérbe, így jobban szabályozva az égés kialakulását és lefolyását, valamint a kisebb benzinrészecskék nagyobb felülete miatt hatékonyabb lesz az égés. A közvetlen befecskendezéses benzinmotorok több koromrészecskét (policiklusos aromás szénhidrogéneket) bocsátanak ki, mint a dízel motorok! Ráadásul sokkal apróbb molekulákat, amik méretük miatt, belélegezve közvetlenül a véráramba kerülnek. Van egy szűk fordulatszám tartomány, amikor jobbak az eredmények, de ez 3700-4300 fordulat/perc között mérhető. Ráadásul hideg motornál a koromkibocsátás 7-8-szorosára emelkedik. A gyakorlatban a benzines motoros autókat főleg városban, rövidtávon használjuk nagyrészt hideg motorral. Ekkor a GDI motorok mérgező molekula kibocsátása meghökkentően magas.
A benzines motorok széndioxid (CO2) kibocsátása 20 százalékkal magasabb a dízel motorokhoz képest. A széndioxid üvegházhatású gáz, ami nagyban hozzájárul a föld felmelegedéséhez.
Környezetvédelmi normák és a jövő kilátásai
2018 szeptemberétől, az Euro 6c környezetvédelmi emissziós szabvány lépett életbe. A hazai utakon lassan fog csak elterjedni az új technika. Nem telik el nap, hogy ne keresnének ügyfelek, érdeklődők azzal a tervvel, hogy közvetlen befecskendezéses turbós benzinmotoros autót szeretnének vásárolni. Véletlenül sem dízelt, mert az károsítja a környezetet és drága a javítás. Nekik mindig el kell mondanom, hogy a benzines motorok is legalább annyira károsítják a környezetet, csak máshogy. Az összetett technológia miatt ezekben is megtalálható a legtöbb drága alkatrész (turbó, kettős tömegű lendkerék, drága injektorok…).
Az aranyszabály a következő: kis autóba, valamint rövid távokra és városi használatra valóban nem éri meg dízel autót választani, de nem környezetvédelmi okokból, hanem mert a benzines motorok jobban bírják a hideg üzemet és rövid távokat. Igaz, a fogyasztásuk magasabb, de évi 10 000 kilométer használat mellett gazdaságosabb lehet az üzemben tartásuk. Hosszabb távra és nagyobb méretű autóban gondolkodóknak jobb alternatíva a dízel motoros autó.
Miközben az autóipar egyre inkább az elektromos hajtás felé fordul, a Mercedes-Benz nem mond le legendás V12-es motorjáról. Az új, szigorú európai emissziós szabályok (Euro 7) miatt sokan temették a V12-es motort. Jelenleg a V12-es blokk csak a 603 lóerős Mercedes-Maybach S680 limuzinban található meg, de a márka történetében korábban több AMG-modell is büszkélkedhetett vele. Michael Schiebe, az AMG vezetője hozzátette: a benzines motorok addig maradnak, ameddig a piac és a jogszabályok engedik. Markus Duesmann, az Audi vezetője arról számolt be, hogy a német vállalat a jövőben már nem fejleszt több új belsőégésű motort. Ez természetesen nem azt jelenti, hogy mostantól teljesen vége az ilyen Audi erőforrásoknak, hanem arról van szó, hogy a négykarikás gyártó ezentúl már nem vág bele teljesen új benzines, illetve gázolajos motorok fejlesztésébe. Duesmann elmondta, hogy az Audi mindent megtesz a jelenlegi benzin- és dízelmotorok fejlesztésének érdekében, és bár igen komoly kihívást jelent, megpróbálja azokat a lehetőségekhez képest megfeleltetni az Euro 7 normának. Utóbbi, előreláthatólag 2025-ben életbe lépő szabályozást egyelőre még nem fogadták el, mindenesetre sokak szerint adott esetben egyenlő lehet a belsőégésű motorok halálos ítéletével. Az Audi a következő 5 évben 20-féle új villanyautót kíván piacra dobni.
Ez a döntés komoly hatással lehet a magyar gazdaságra is, mivel a belső égésű motorok egy részét nálunk gyártják. Az autós történelem érdekes eseményeket, balesetek emlékét őrzi a benzinmotor feltalálása kapcsán. És mi lesz a jövő? Izgalmas új világ. Az elektromos és önjáró autók, plusz egy kis virtuális valóság.