Technika

2017. március 9. csütörtök, 23:12

A jövő autóhajtásai - Víz, gáz, villany?

Merre tartanak az autók hajtásláncai? Melyik mennyire szennyez? Melyik mennyire életképes? Tényleg baj van a dízelekkel és valóban a villanyautóké a jövő?

Mai autóink többségének motorterében még valami ég. Vagy benzin, vagy gázolaj, esetleg valamilyen gáz, és a hibridek sincsenek meg, belső égés nélkül. Sőt, a kipufogó nélküli elektromos, vagy az éppen csak vizet kipufogó üzemanyagcellás (és így szintén elektromos) autók sem teljesen káros-anyag kibocsátás nélküliek: globális szempontból egyáltalán nem mindegy, hogy a lokálisan akár teljesen tiszta működés villanyát, vagy az üzemanyagcellában áramot termelő hidrogént hogyan, és miből állítjuk elő.

Idén szeptembertől az európai típusminősítéseknél az új modellek szennyezését már közúti körülmények között is vizsgálják. A mérési mód legnagyobb hátránya, hogy körülményei nehezen szabványosíthatók

Az, hogy mi jön ki a kipufogón már elég régóta fontos, de igazából csak az elmúlt bő két évtizedben izgatja az európai hatóságokat, és autósokat. Először – már az 1960-as évektől – a benzin- és dízelmotorok szénmonoxid (CO) kibocsátását kezdték vizsgálni, mert a CO a vér hemoglobinjával reakcióba lépve végső soron fulladásos halált okoz, miközben szagtalan és színtelen. Később felkerült a listára a kipufogógázok elégetlen szénhidrogén-tartalma is (az a legfeljebb néhány térfogat-százaléknyi üzemanyag- vagy motorolaj-mennyiség, ami elégetlenül megy át a motorokon) mert rákkeltő. A dízelek terjedésével egyre jobban kezdtek figyelni a hatóságok a kompresszió-gyújtásból adódóan elnyúló égésfolyamatokban nagy mennyiségben keletkező nitrózus (NOx) kipufogógáz összetevőkre, szintén főleg rákkeltő hatásuk miatt, és a dízelek hozták el a koromtartalom vizsgálatának, mérésének szükségességét is, hasonló okból. A széndioxid kibocsátás csak a közelmúltban, a klímaváltozás kapcsán került igazán a képbe, mert a CO2 üvegházhatású gáz.

Földgáztartályok egy Opel Zafirában. A metán tisztán ég, és a benzinmotort is csak kicsit kell átalakítani hozzá, de alapesetben nem megújuló energiahordozó

Mivel főleg magából az égésből keletkezik, kipufogógázi mennyisége jó közelítéssel arányos a fogyasztással. A szigorodó emissziós normák hatására az autógyárak sok részletet megváltoztattak a motorokban, de az egyre nehezebben és főleg egyre drágábban, egyre összetettebb műszaki tartalommal (részecskeszűrők, katalizátorok, közvetlen befecskendezés, változó vezérlés, startstop, stb.) teljesíthető előírások a hagyományos, belsőégésű hajtások viszonylag közeli végét vetítik előre már jó ideje. Ebben a „haldoklásban” szép és értékes műszaki részletek is születnek, és megjelentek a hagyományos belsőégésű technikára alapozó a megoldást – legalább részben – az üzemanyagok lecserélésében látó elképzelések (gázhajtások, bio üzemanyagok) is. Első közelítésben minden olyan üzemanyag óriási előrelépés, ami nem szabadít korábban elzárt, a föld mélyéből előbányászott „új” szenet (és vele szén-dioxidot) a légkörbe, ezért próbálkoznak a bioszféra körforgásában már benne lévő szén újrahasznosításával: erre lehetnek jók a gyártott és nem bányászott üzemanyagok, a biogázok (bomlástermékek, bio benzinek) de előállításuk ma még általában jóval drágább a kőolajalapú anyagokénál. A belső égéssel kapcsolatban sokáig elkerülte a hatóságok figyelmét a motorok hidegüzemi szennyezése, pedig régóta ismert tény, hogy nagyjából az első tíz kilométeren a motorok a normális szennyező értékek akár több százszorosát produkálják, mert a hideg működéshez eleve dúsabb üzemanyag-levegő keveréket használnak, és katalizátoraik sem működnek még elég hatásosan. A belső égésű gépek tisztává tétele nem csak drága, de soktényezőssége miatt bonyolult is, hiszen gyakran egy-egy szennyező részarányának csökkenése akár több másik növekedésével is jár. Az autógyártók kötéltáncot járnak, próbálkoznak – nem is mindig legális eszközökkel – de ma általában egyetértenek abban, hogy a jövő, hosszú távon az elektromos hajtásoké, már csak az áramot kell hozzájuk elég tisztán előállítani, és az akkuk tárolókapacitását (az autók hatótávját) megnövelni. Ekkor már csak az áramtermelés és a gyártás már emlegetett tisztasága marad kérdés…

Ma úgy tűnik, hosszú távon a villanyautóké a jövő. Több márka is sorozatban gyárt már tisztán elektromos autókat. Hajtásláncuk egyszerű, többségükben még sebességváltó sincs, de akkumulátoruk drága, töltésük ma még lassú és hatótávjuk is korlátozott

Benzinmotorok

A benzinmotoroknál karburátorok eltűnése, és a befecskendezés megjelenése volt az első nagy lépés, mert a szabályozott keverékképzéssel (a motorirányításra visszaható lambda szondák a kipufogóban) és jó hatásfokú hármas hatású katalizátorokkal már több mint 25 évvel ezelőtt sikerült lényegében teljesen eltűntetni a szénmonoxid kibocsátást, csökkent az amúgy sem nagy nitrózus gázmennyiség és az elégetlen szénhidrogéneké is. Ma is ilyen katalizátorok működnek minden benzines autóban, immár két lamda szonda felügyelete alatt. A fogyasztáscsökkenés, és vele a széndioxid emisszió visszafogásának igénye az elmúlt tíz évben a benzinesekben is egyre bonyolultabb keverékképző rendszereket hozott, megjelent a közvetlen befecskendezés, és a méretcsökkentési trendek (downsizing) hatására a benzinmotort is elérte a feltöltés

A Toyota Mirai üzemanyagcellás, ötkilónyi hidrogénjét két, 700 bar nyomású tartályban viszi magával. Végső soron elektromos hajtású, és nagy előnye, hogy csak vizet pufog ki, de a hidrogén-kutak hálózata ma még nem igazán létezik

A szívómotorok lassú eltűnésével és a közvetlen befecskendezés gyors terjedésével azonban megjelent a finom koromtartalom is a benzinmotorok kipufogógázában, s ez (főleg rákkeltő hatása miatt) egyre jobban izgatja az emissziós normák kiagyalóit. A 2009-ben életbe lépett Euro5 és a 2014-es Euro6 már határértékeket is előír, kifejezetten a közvetlen befecskendezéses benzinmotorokra (a szívócső befecskendezésre kevésbé jellemző a füstölés)! A benzines erőforrások szerkezeti felépítésükből, dízelekénél kevésbé robusztus kialakításukból adódóan még ma, bonyolult változó vezérléssel, nagynyomású (200-250 bar) közvetlen befecskendezéssel, és feltöltéssel (turbó) is sokkal olcsóbbak a hasonló teljesítményű turbódízeleknél és mivel fő emissziós összetevőik a már emlegetett egyszerű katalizátorral is jól kézben tarthatók, a gyártók mostanában szinte kizárólag a széndioxid emisszió csökkentésére (azaz a fogyasztáscsökkentésre) és a koromkibocsátás visszafogására koncentrálnak. Előbbire legalább részben jó lehet a feltöltés (hiszen a hatásfokra is jótékonyan hat), és akár az alapjáraton feleslegesen forgó motort leállító, majd újra elindító startstop is.

A Tesla Model S metszetén látszik, hogy az elektromos hajtás helyigénye mennyivel kisebb a belsőégésűekénél; viszont az akku a teljes padlót kitölti

A kormolás csökkentésére több életképesnek tűnő megoldás is létezik, van, aki az égéstéri beavatkozásokban, a többszörös gyújtószikrában, vagy a vezérlésállítási szélsőségekben, esetleg a befecskendezés további finomításában, többadagossá tételében hisz, de olyan fejlesztőcsapatok is dolgoznak, akik már a benzinmotorok részecskeszűrőinek sorozatgyártását tervezik, mert szerintük csak így csökkenthető hatásosan a füstölés. Ha a dízelekével azonos elven működő (a látható koromszemcséket a kipufogógázból kihalászó, majd időnként jó 95-99%-os hatásfokkal széndioxdiddá elégető) részecskeszűrők itt is megjelennek, mai árakon nagyjából 50-150 eurós darabonkénti többletköltséget hoznak majd a vásárlóknak autónként. A fogyasztás és vele a széndioxid emisszió további csökkentéséhez már komolyabb szerkezeti átalakítások kellenek, több márka kompresszió-gyújtású (dízelszerűen működő) benzinmotorokat kutatja, és az is kézenfekvő, hogy a nem működő benzinmotor a legtisztább, ami pedig a hibridekkel érhető el a legkönnyebben. Maga a benzines egyébként úgy is tisztává tehető, ha benzin helyett gázt égetünk benne. Sokáig az olcsó LPG, azaz az autógáz – lényegében háztartásai propán-pután gázkeverék – tűnt leginkább nyerőnek. A kisnyomású (6-8 bar körüli) tartályban, cseppfolyósan tárolt keverék tisztábban ég, mint a benzin, de a fogyasztás kicsit több vele (a gáz literenként kisebb fajlagos energiatartalma miatt), és az sem előny, hogy az összetevőket kőolajból a legegyszerűbb előállítani. A másik, ennél sokkal életképesebb benzinkiváltó gáz a metán, azaz a földgáz (CNG: Compressed Natural Gas, azaz sűrített földgáz vagy LNG: Liquified Natural Gas, azaz cseppfolyós földgáz). Alapesetben ez sem megújuló energiahordozó, hiszen a földből bányásszák (sokszor a kőolajjal együtt), de egyes becslések szerint akár ötszáz évre is elegendőek a tartalékaink belőle, a jelenlegi fogyasztás mellett. Ugyanúgy nem kell alapjaiban átalakítani hozzá a benzinmotorokat, mint az LPG-hez, de a tartály nyomása itt már 200-250 bar így az egész üzemanyagrendszer jóval drágább. Nagy használati előny, hogy a földgázüzemű autók az LPG-sekhez hasonlóan gáz híján benzinnel is járathatók, és az is, hogy a földgáz a benzinnél sokkal tisztábban ég: elvileg csak CO2 és víz hagyja el a kipufogót (a valóságban ennél kicsit összetettebb a helyzet). A nagynyomású földgázkút nem olcsó, de a hálózat egész Európában bővül, a benzines rendszer mellé a fölgázas ugyanúgy beépíthető akár utólag is, mint az LPG-s, és megfelelő motorokkal a földgázüzem a teherautókban is életképes.

Közvetlen- és szívócső befecskendezés egyszerre egy turbós benzinmotorban, több márka is így küzd a füstölés ellen. A két befecskendező-sor együtt, és külön-külön is dolgozhat

Dízelmotorok

A dízelmotorok általános turbósítása jót tett az emissziónak, főleg a füstölés csökkent tőle jelentősen, a nagy nyomású (aztán a ma általános közös csöves) gázolaj befecskendezéssel pedig tovább javult a benzinesekénél amúgy is sokkal jobb hatásfok. Először a gázolajos technikában is az oxidációs katalizátorok terjedtek el, bár felépítésükből adódóan ezek az erőforrások eleve kevés szénmonoxidot termelnek. A nagy áttörést a részecskeszűrő hozta el, hiszen a kipufogógáz látható koromtartalmát már a korai változatokban is jó 95%-os hatásfokkal megfogta. Ma már 99% körüli a hatékonysága, és időnkénti tisztítását is viszonylag jól megoldották (a kipufogógáz hőmérsékletének megemelésével ég tisztára, teljesen automatikusan, bár a regeneráció nem mindig tökéletes ezért hosszú használatban a szűrők eltömődhetnek), így – kicsit a széndioxid emisszió rovására – lényegében teljesen eltűnik a kipufogógázból a látható korom. A befecskendezési nyomások további emelkedésével és a hatásfokjavulás hajszolása okozta folyamatos kompresszió növeléssel azonban az egyre takarékosabb dízelmotorok egyre több nitrózus gázösszetevőt pufogtak a légkörbe. Az autógyárak első megoldásként megemelték a turbók nyomását, bevezették a dízeleken is a startstop rendszert (hiszen ezzel is lehet csökkentetni valamennyit a kibocsátáson) és csökkentették a motorok sűrítési arányát. Néhányan a változó vezérléssel is kísérleteztek, ez azonban nem minden esetben hozott akkora tisztasági és működési javulást, hogy nagy sorozatban is megérje. A szigorodó tisztasági normák bevezetésével egyre nehezebben lehetett a nitrogénoxidokat megfelelő szinten tartani, az egyszerű katalizátor már nem volt elég, a fogyasztást egyébként megnövelő egyre nagyobb arányú kipufogógáz visszavezetés mellett megjelentek a nitrózus gázokat vízzé és nitrogénné redukáló szerkezetek is a dízel kipufogókban. Ma kétféle ilyen létezik, a báriumcsapdás, tároló-katalizátor, és a szelektív-redukciós. Előbbi előnye, hogy viszonylag egyszerűen, pusztán a kipufogógáz hőmérsékletének megemelésével regenerálható, viszont hatásfoka és élettartama is elmarad az utóbbiétól, így főleg kisebb autókban használják. Az egyre jobban terjedő szelektív-redukciós nitrogénoxid-katalizátorok jobb hatásfokúak, de regenerálásukhoz karbamid-tartalmú adalék (Adblue) és az azt a kipufogóba befecskendező rendszer kell, aminek adaléktartályát időnként fel kell tölteni. Mivel szerkezetükből adódóan a dízelmotorok gyártása drágább a technikás benzinesekénél is, a költséges és összetett kipufogógáz utánkezelő rendszerek pedig még tovább növelik a költségeket, több autógyártó szerint is közel az idő, amikor már csak a nagy és drága autók árrése (vevőköre) viseli majd el a gázolajos hajtás gyártási többletköltségeit.

A dízelbotrány

A 2015-ben kirobbant Volkswagen-féle dízelbotrány műszaki megközelítése viszonylag egyszerű. Mivel az évtizedekkel ezelőtt bevezetett európai mérési módszer, görgős padon vizsgálta és vizsgálja ma is az autók kibocsátásait jól ismert és jól szabványosítható próbaciklus szerint, ráadásul sok területen különösen engedékenyen, érthető, hogy a gyártók többsége kifejezetten az ennek való megfelelésre koncentrált. Ezért egészen addig nem is hibáztathatók a fejlesztők, amíg az egyébként előírásosan dolgozó kipufogógáz tisztító rendszert csiszolgatják úgy, hogy a teszt szerinti vizsgálatokon teljesítsen a lehető legjobban. Azonban ha bizonyos alkatrészek vagy szoftverek kizárólag a vizsgálatokkor működnek – máskor spórolásból vagy a széndioxid-kibocsátást csökkentendő nem, vagy nem teljesen – az védhetetlen és szándékos károkozás. A mérési ciklust korábban is sokan kritizálták engedékenysége (előmelegített motorok, nem működő fedélzeti fogyasztók) és „sterilitása” miatt, a vevők pedig csodálkoztak, hogy autóik a mindennapokban rendszerint jóval többet fogyasztanak a katalógus adatoknál. A mérési módszerek átalakítása, valósághűbbé tétele már elkezdődött, (az európai minősítési ciklusba közúti mérés is kerül idén szeptembertől) de néhány kérdés még így is nyitott: a próbapadi emissziós teszteken csalás nélkül is hibátlanul teljesítő autók is gyakran a megengedett sokszorosát bocsátják a levegőbe normál üzemi körülmények között, főleg alacsony fordulati nagy terhelésnél, és hidegüzemben – mindkettő éppen városi használatban a leggyakoribb. Több mérés is bizonyítja, hogy a szabványok szerinti legtisztább autók (nem csak a dízelek) motorjai is rosszul teljesítenek ilyen (azaz valós) körülmények között. Az egyik ma körvonalazódó megoldás a gyártók kényszerítése a még tisztább működés felé, a másik a tiltás. Sokan a dízelekben keletkező különösen apró szemcséjű koromtól és a benzinesek hasonlóan apró szennyezőitől félnek, mert ezek egyrészt súlyosan rákkeltők, másrészt a legfinomabb mai szűrők sem tudják őket teljesen kihalászni a kipufogógázból. Több nagyváros vezetése is a dízelek kitiltásával, vagy forgalmuk korlátozásával fenyeget, ami a tények ellenére is visszás, mert éveken át éppen jobb hatásfokukból adódó kisebb fogyasztásuk és így alacsony CO2 kibocsátásuk miatt támogatták sokan a terjedésüket…

Dízel részecskeszűrő: jó hatásfokkal halássza ki a kipufogógázból a koromszemcséket, de az egészen aprók így is átjutnak. Telítődését nyomásérzékelők figyelik, jeleik alapján a motorirányítás a kipufogógázok hőmérsékletének megemelésével időnként automatikusan tisztára égeti. A nitrózus gázok ellen jó hatásfokú redukciós katalizátorokat használnak a modern dízelekben

Hibridek, villanyautók

A teljes elektromos hajtás várható eljöveteléig a hibridek (benzin-elektromos hajtással) terjedése a legvalószínűbb. Kívülről nem tölthető változataik is hasznosak, hiszen a hagyományos autók fékein nagyrészt hővé alakuló, elvesző (amúgy is elég rossz hatásfokkal mozgássá alakított) kémiai energia nagy részét akkuba tárolják, és (természetesen veszteségek árán) újra az autó mozgatására fordítják. Így emissziót és üzemanyagot is spórolnak, számítógépes hálózatuk fejlődésével (és ötletes váltóikkal) ráadásul arra is képesek, hogy benzinmotorjukat mindig a lehető legtisztábban járassák, vagy éppen teljesen le is állítsák, ha nem kell. A konnektorból is tölthető hibridek működési alapelve ugyanez, azzal a jelentős különbséggel, hogy akkujukat nem csak benzinmotorjuk és a lassítások motorfékje tölti. Ettől az egyszerű hibrideknél sokkal többet tudnak megtenni tisztán elektromos hajtással (közvetlen emisszió nélkül), ugyanakkor esetükben – globális szempontokból – egyáltalán nem mindegy miből és mennyiért állítjuk elő a villanyukat. Ha mondjuk, az erőművet lignittel táplálják, a villanyautó, globális szempontokból akár jóval szennyezőbb is lehet még a korszerűtlenebb benzineseknél vagy dízeleknél is! Az elektromos hajtás egyik különleges mellékága az üzemanyagcellás. A cella a víz elektrolízisét megfordítva a levegő oxigénjéből, és hidrogénből állít elő vizet és villanyt, így táplálja az autót hajtó villanymotort. Az ötlet jó, a hatótáv öt kiló cseppfolyós hidrogénnel is 400 km feletti, de a gáz nagy nyomású tárolásához (700 bar) különleges tartály kell. A hidrogén előállítása, szállítása, tárolása ma még nem megoldott, így kúthálózat sem létezik. Pedig az üzemanyagcellás autó tényleg csak vizet pufog ki, de miből, mennyi energiával és hogyan készül hozzá a hidrogén? A legrosszabb eset, ha földgázból, mert az eljárás nem csak energiaigényes, de szén-dioxid-kibocsátással is jár, a legjobb pedig, ha megújuló energiából megtermelt árammal vizet bontunk, oxigénre és hidrogénre…

A villanyautó nem mai találmány, íme, egy Ferdinand Porsche által tervezett kerékagy motoros változat az 1900-as évek legelejéről, a bécsi Lohner cégtől

Mivel autózunk majd?

Európa autósai előbb a konnektorból is tölthető benzin-elektromos hibridek, majd a tisztán elektromos hajtásláncok előretörésére számíthatnak a következő tíz évben. Az alapjaiban egyszerű felépítésű (a villanymotorhoz még sebességváltó sem feltétlenül kell) tisztán elektromos autóhajtás terjedésének legfőbb gátja ma az akkuk ára, és tároló képességük szűkössége. Ha sikerül 5-600 km körüli hatótávot elérni legfeljebb 100 liter térfogatú akkukkal, akkor már „csak” a töltés lassúsága, a töltő infrastruktúra és az ár korlátoz. A mai akkutechnikában az alkalmazott ritkaföldfémek mennyisége és ára is hátráltató tényező, a fejlődés meglepően gyors – ám ettől az elektromos autók technikai avulása is átlag feletti. Mindezek alapján úgy tűnik, hosszabb távon először a dízelmotor tűnik majd el mindennapi autóinkból, a benzinesek a hibridekben még egy ideig biztosan túlélnek majd…

A benzin-elektromos hibridhajtás elterjesztése főleg a Toyota érdeme, az elv óriási előnye, hogy legalább részben újrahasznosíthatóvá teszi a hagyományos autókban elvesző mozgási energiákat

 

Címkék: ,
nyomtatóbarát verzió

Hozzászólások

Powered by Facebook Comments

Eseménynaptár

Friss anyagok

Júlia felemelkedése?

Kétféle motorral, hátsó- vagy összkerékhajtással és kizárólag automata váltóval...

Agyalapok

Egy kis szlovén cég egész sorozatnyi hibridekbe és elektromos...

Padlóvázzal

A Meriva utódja a Peugeot-Citroën-Opel közösködés első modellje.

Érkezik az új BMW i3 és i3s

Megújult a BMW i3 és egyszerre két verzióban érkezik,...

Tesztnapló: Range Rover Evoque Convertible

Drága hóbort a kabrió szabadidő-terepes, akinek ilyen kell, itthon...

A honlap további használatához a sütik használatát el kell fogadni. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás