A benzintől Ottóig: a belső égésű motor sorsdöntő évszázada

Nikolaus Otto négyütemű motorjától a Benz Patent-Motorwagenig ívelő, a belső égésű motor százéves mérnöki kalandja.
Nikolaus Otto négyütemű motorjától a Benz Patent-Motorwagenig ívelő, a belső égésű motor százéves mérnöki kalandja.

Az oldal megosztása

A belső égésű motor története valójában 1876-ban kezdődik Nikolaus Otto kompressziós négyütemű motorjával; őt 1886-ban Karl Benz Patent-Motorwagenje követi, amely már automobillá alakította a motort, és az azt követő száz év a hengerarchitektúra, a hatékonysági válságok, valamint a turbó és a dízelszerű mellékutak mentén folyó mérnöki verseny története. Ez az írás e száz évet archívumi forrásokon alapuló kronológiai elbeszéléssel követi nyomon.

Kiemelt témák

  • A négyütemű ciklus szabadalmát 1862-ben Alphonse Beau de Rochas szerezte meg; az első gyakorlati motort 1876-ben Otto építette fel.
  • Az első autószabadalom: 1886. január 29., Benz Patent-Motorwagen, 37435 szabadalomszám.
  • Otto szabadalmának érvénytelenítése után 1889-re már több mint ötven cég gyártotta ugyanazt a tervezést.
  • Európában a dízelmotorok piaci részesedése 2015-ben még 52% volt, 2023-re viszont 18%-ra csökkent.
  • A BMW 2002 Turbo két évvel a Porsche 911 Turbo előtt Európa első sorozatgyártású turbós autója lett.

Lenoir-tól Otto-ig: Miért volt forradalmi a négyütemű motor?

Az elbeszélés kiindulópontja valójában nem Otto, hanem az őt megelőző legjobb megoldás. 1860-ban Étienne Lenoir világítógázzal működő, kettős hatású belső égésű motort készített; de a gép egyszerre volt nagy és hatástalan: 18 literes térfogatból mindössze 2 lóerőt (kb. 1,5 kW) lehetett kinyerni, az üzemanyag háromnegyede pedig kárba veszett. Vándorkereskedő Nikolaus Otto egy újsághirdetésen keresztül ismerkedett meg ezzel a motorral, és 1861-ben tesztelt egy másolatot. Amit a teszt megtanított neki, az egyszerű, de meghatározó volt: a gyújtás előtti üzemanyagkeverék összenyomása a hatékonyság kulcsa. 1862-es első kompressziós kísérlete sikertelen volt, mert a motor néhány percen belül megsemmisült; de az ötlet helyes volt.

Pontosan itt zajlik az autóipar történetének legironikusabb szabadalmi esete. A négyütemű ciklus - szívás, sűrítés, munkaütés és kipufogás; négy dugattyúlökés két motorfordulat alatt - szabadalmát 1862-ben a francia mérnök, Alphonse Beau de Rochas szerezte meg, de a gépet soha nem építette meg. Mivel a motort először Otto építette fel, a ciklus ma az ő nevét viseli. Otto fián keresztül, valamint az NA Otto & Cie révén, amelyet 1864-ben Eugen Langennel alapított, s a világ első belső égésű motorgyártó vállalata volt, lépésről lépésre egyengette az utat: 1867-ben a párizsi világkiállításon atmoszferikus motorja aranyérmet nyert; ez a gép feleannyi gázt fogyasztott, mint a versenytárs gázmotorok, és 12%-os hatásfokkal 0,5 lóerőt termelt. A vállalat 1869-ben Deutzba költözött, és felvette a Gasmotoren-Fabrik Deutz nevet - a mai Deutz AG a világ legrégebbi motorgyártója.

Az igazi ugrás 14 éves K+F munka után következett: 1876. május 9.-én Otto megalkotta a kompressziós feltöltési elven működő négyütemű motort. A rétegtöltésnek nevezett módszerrel az égést szabályozhatóvá tevő tervezés ugyanazon ősszel Rings-Schumm motorként érte el a kereskedelmi érettséget, és az első kereskedelmi szempontból sikeres, hengeren belüli kompressziót alkalmazó gép lett. Megbízhatósága, hatásfoka és viszonylag csendes működése révén a következő 10 év alatt 30 000-nél több Otto-ciklusú motort gyártottak. A szám által megvilágított technikai ugrás egyértelmű: a kompresszióra való áttérés a hatásfokot 1880 és 1890 között 5%-ról 15%-ra emelte; ez háromszoros javulás a gőzkorszak 5% alatti motorjaihoz képest. A szikragyújtású négyütemű ciklus máig a közutakon közlekedő autók többségében működik.

A történet jogi lezárása is tanulságos. 1886-ban Beau de Rochas korábbi keltezésű szabadalmának előkerülésével Otto szabadalmát érvénytelenítették; a Deutz nem tudta bíróság előtt bizonyítani, hogy saját rétegtöltési rendszere eltér a francia szabadalomtól. Az eredmény mérnöki szempontból felszabadító volt: 1889-ra már 50-nél több cég gyártott Otto-tervezésű motort. Ez a klasszikus feszültség a gyakorlati találmány és a szabadalmi elsőbbség között az egész kor iparának nyitotta meg az ajtót. A vita egyik oldala máig él: Franciaországban a ciklust néha "Beau de Rochas-ciklusnak" nevezik, mások Reithmann érdemeire mutatnak - a három feltaláló hozzájárulása nem egymás alternatívája, hanem kiegészítője.

Az út az automobilig: Daimler, Maybach és Benz Patent-Motorwagenje

Otto nagy és álló motorokat akart; a deutzi műszaki igazgató, Gottlieb Daimler és a főtervező, Wilhelm Maybach viszont a motor hordozhatóvá tételét, vagyis járművekbe szerelhető méretűre kicsinyítését célozta. Ez a gyártásfilozófiai különbség ahhoz vezetett, hogy a ketten 1882-ben elhagyták a céget. A kiválás gyümölcse hamar megérett: 1883-ban egy 0,5 LE-s kis és hatékony motor, 1885-ben pedig az első nagyfordulatú benzinmotor, amelynek beceneve "Grandfather Clock" volt. A motor köré épült Daimler Reitwagen volt az első belső égésű motorral hajtott motorme jármű.

Az automobil születési anyakönyvi kivonata azonban nem Kölnben, hanem Mannheimben készült. Karl Benz 1886. január 29-én a "gázmotoros járműre" benyújtott, 37435 számú szabadalmával vonult be a történelembe. Az 1885-ben befejezett Benz Patent-Motorwagen egyhengeres benzinmotorral hajtott, könnyűépítésű, háromkerekű jármű volt, és egyszerre viselt két címet: az első valódi automobil, amely benzinbeli belső égésű motorral közlekedett, és az első autó, amely sorozatgyártásba került. Benz előtt persze nem üres lap állt - a járműkísérletek mintegy egy évszázada folytak, ideértve 1769-ban Nicolas-Joseph Cugnot gőzjárművét is; de a Lenoir 4%-os hatásfokú gépétől Otto kompressziós ciklusáig vezető vonal csak a benzinnel és Benz könnyű vázával került az országútra.

A Deutz láncban betöltött szerepét is érdemes megjegyezni: az 1884-ben kifejlesztett karburátor és a megbízható alacsony feszültségű gyújtórendszer tette lehetővé, hogy a folyékony kőolaj-üzemanyag először használható legyen motorokban. Az automobil üzemanyaga technikai melléktermékként született meg. Daimler és Maybach vonalát pedig az 1890-es évek végén Emil Jellinek számára kifejlesztett automobil koronázta meg: A 35 lóerős motorja körülbelül 90 km/h sebességet biztosított a járműnek, amely Jellinek lányáról, Mercedesről kapta a nevét. A kor értékelése könyörtelen volt - Benz első autója az 1880-as években egy ló rossz alternatívája volt; de az általa elindított fejlődés egy évszázadon át töretlenül mélyült.

Henger architektúra: Mit mondanak el az Inline, V és Boxer elrendezések?

Amíg az Otto-ciklus változatlan maradt, az évszázad versengése nagy részben azon forgott, hogyan rendezik el a hengereket. Három alapvető elrendezés létezik, és mindegyik más-más mérnöki prioritásra válaszol:

  • Inline (soros): A hengerek egyetlen sorban állnak. Egyszerű és kiegyensúlyozott; az ára a hossz - azonos hengerszámnál érezhetően hosszabb blokkot foglal el, mint a V-elrendezés.
  • V: A hengerek két bankban, szögben elrendezve helyezkednek el; a V8 jellemzően 60°–90° szögben, négy-négy hengeres bankokkal épül fel. Rövidíti a hosszát, kompakt motorteret biztosít.
  • Boxer (vízszintesen ellenkező): A bankok közti szög 180°. Alacsony súlypontjával és rezgéskiegyensúlyozásával teljesítményorientált alkalmazásokban eltérő egyensúly-teljesítmény profilt kínál.

E háromszög történelmi megfelelője is kirajzolódik: a háború előtti és utáni időszakban a motortérfogatok és hengerszámok növekedtek; az 1970-es évekre az amerikai piac alapértelmezett motorja szinte teljes egészében a V8 volt. Az alább látható olajválságok olyan nyomást generáltak, amely ezekhez az architektúrális választásokhoz egy éjszaka alatt fordult.

A háború utáni kompakt autók korszaka: Beetle, Fiat 500 és Mini

Két világháború után a motor történetét nem hatalmas, hanem kicsi méretekben írták. A háború utáni Európa családi autója, a Volkswagen Beetle - hivatalos nevén Type 1 - 1938–2003 között megszakítás nélkül gyártott, léghűtéses és hátsómotoros elrendezésével meghatározta kora kisautó-sablonját. Ez az elrendezés közvetlen hatású volt: az eredeti Fiat 500 az 1938-as Beetle architektúrájából merített ihletet, és 1957–1975 között 3,4 millió eladással ikonná vált. A Mini pedig 1959-ben csatlakozott. A három közös nevezője nem az olcsóság, hanem a megbízhatóság és az egyszerűség volt; a klasszikus korszak kis európai autóit egy időben az egyszerűség és az alacsony üzemeltetési költségek csúcsának tartották. Mérnöki nyelven ez annak a korszaknak a neve, amikor a hengerszám és a térfogat csökkentésével a megbízhatóság növelése eladóbbá vált, mint a teljesítmény növelése.

Hogyan változtatta meg az 1973-as olajválság a motortervezést? Downsizing és a turbó forradalma

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

1973-ban az OPEC embargója először megkétszerezte, majd megnégyszerezte a hordó árát, és teljes mezítelenségében megmutatta, mennyire törékeny az üzemanyag-éhes amerikai autóflotta. A motortervezés terminológiája ebből a sokkból született: a korszakot meghatározó Malaise era fogalma a benzinárak hirtelen emelkedésével kezdődik; a gyártók lezárják a túlméretezett karosszériák és motorok korszakát, és a hatékonyság felé fordulnak. Az Egyesült Államokban az alapértelmezett V8-ok térfogatát szinte felére csökkentették; a "downsizing" néven ismert elképzelés gyökere ide, egészen az OPEC-válságig nyúlik vissza. A Toyota vállalati története is ugyanezt a fájó átalakulást igazolja: az kőolaj-kínálat csökkenése és az ár-emelkedés tovább szította az akkori anyag- és termézhiányt.

A hatékonysági nyomás teljesítmény-oldali válasza a kipufogógáz energiájának visszanyerése volt: a turbófeltöltő. Három név számít e forradalom úttörőjének, a kronológia a következő:

  1. BMW 2002 Turbo - a 1973 -as Frankfurti Autószalonon mutatták be hároméves fejlesztés után; KKK turbófeltöltős 2,0 literes (1990 cm3) SOHC soros négyhengeres M10 motorral és Kugelfischer befecskendezéssel gyártva, két évvel megelőzve a Porsche hasonló megoldását, Európa első sorozatgyártású turbófeltöltős személyautója lett.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - a turbófeltöltést a márka teljesítmény-identitásának középpontjába helyezte.
  3. Saab 99 Turbo - 1978-ben a turbót egy közönséges családi szedánba vitte át, és évtizedekre szóló rajongói közönséget teremtett; a Volvo 240 Turbo is ezt a gyakorlatias vonalat követte.

A kiegyensúlyozott olvasat a következő: ha a 2002 Turbo és a 911 Turbo a turbófeltöltést teljesítmény-jelkéggé tette, a 99 Turbo és a 240 Turbo a mindennapi használat luxusává emelte. Az úttörő hármas összhatása az volt, hogy a turbófeltöltést egy niche versenystechológiából mainstream hatékonysági eszközzé tette - az olajválság mérnökökre kényszerített kényszerének elegáns válasza.

A dízel felemelkedése és bukása a Dieselgate-tel

A huszadik század végén a dízel a hatékonyság egyik nyertese volt; a huszonegyedik század első negyedében pedig megbízhatósági válsággá alakult. A fordulópont 2015 szeptembere: a Dieselgate-botrányban a Volkswagenmilliónyi dízeljárműbe "defeat device" nevű csaló szoftvert épített, hogy becsapja a világ minden táján végzett kibocsátási teszteket. Az amerikai EPA megállapítása szerint a vállalat a 2009–2016 közötti modellévekben mintegy 590.000 dízeljárművel sértette meg a tiszta levegőről szóló törvényt. A tudományos szakirodalom megerősíti, hogy a csaló szoftver jogellenesen hamis NOx-kibocsátási eredményeket állított elő. A botrány nem csupán egyetlen vállalat ügye; számos gyártó rugalmasan kezelte a teszt CO2-értékeit és az üzemanyag-fogyasztást, ez az iparágon belül elterjedt tudomány. A VW a botrány után felfüggesztette a jelenlegi dízelek értékesítését, amíg meg nem érkezik az új szabványoknak megfelelő technológia.

Az eredmény mérhető és kemény. Európában a dízel személyautók piaci részesedése a botrány kitörésének évében, 2015-ban 52% -ról 2023-ra 18%-ra csökkent; ugyanezen időszakban az elektromos járművek részesedése gyorsan nőtt. Bár túlzás azt mondani, hogy a dízel "meghalt", kétségtelen, hogy Európa úthálózatán egy korszak lezárult - és ez a lezárás fő rést nyitott az elektromosság felemelkedése előtt.

Mellékvágány: A Wankel-motor és a Mazda 45 éves makacssága

A fő vonaltól legkedveltebb eltérés a német mérnök, Felix Wankel forgómotorja; gyökerei az 1929-as koncepcióig nyúlnak vissza, és az 1950-es években értek be. A dugattyú és henger helyett forgó rotorszal működő munkaciklust felállító ezt az elegáns ötletet a leghűségesebb híve Japánban találta meg: A Mazda 1959-ben fejlesztési szerződést kötött az NSU-val, ezzel korai és tartós elköteleződést vállalva. A rotary-kaland 1967-ben kezdődött a Cosmo Sport (Mazda 110S) modellel; R100-hoz hasonló modellekkel az 1960-as évek végéig folytatódott, majd a következő 45 év során a hengertérfogat növelésével és turbófeltöltő hozzáadásával érlelték meg a motort. Bár a főáramtól távol maradt, a Wankel mint a leghosszabb életű kísérleti irány, amely megmutatta, hogy az Otto-ciklus nem az egyetlen alternatíva, a mérnöki emlékezetben él tovább.

A japán robbanás: Hogyan változtatta meg az olajválság a kor urát?

A század utolsó nagy fordulata a gyártás földrajzában történt. Amíg az 1970-es években a japán autókat a régebbi generációk még tabunak tekintették, máig vitatott kérdés, hogy az 1973-as olajválság váltotta-e ki ezt a robbanást. A vita két vége egyértelmű: egyrészt a válság a tüzelőanyag-hatékony, kis hengerűrtartalmú járműveket egyik pillanatról a másikra a világ legkeresettebb termékévé tette; másrészt a japán gyártók felemelkedése nem redukálható csupán egy árazott olajsokra. A Toyota az első olajválságra adott válaszát vállalati történetének külön fejezeteként kezeli - vagyis azt mondja, hogy a válság nem véletlen szélroham volt, hanem a vállalat stratégiájában szisztematikusan kezelt fordulópont. Mérnöki szemmel nézve az egyenlet konzisztens: a hatékonyság a tervezés inputjává vált, és 1973-tól kezdve az a kultúra vette át a kor piacát, amely ezt az inputot a legjobban kezelte. Az a tény is, hogy a turbó úttörőinek egy része a Saab és a Volvo által képviselt hatékonyságközpontú európai gyártók voltak, ugyanezen logika európai lába.

Eredmény: A 150 éves ciklus jelene

Az Otto 1876-os gépétől a Dieselgate utáni kiürült motortérig ívelő vonal egyetlen logikával olvasható: minden korszak korlátja a következő korszak tervezési prioritását írta meg. Lenoir 4%-os hatásfoka kikényszerítette a kompressziót; a kompresszió megszülte az autót; a háború utáni hiány kicsinyített; az olajválság a hatékonyságot és a turbót diktálta; az emissziós szabályozások előbb magasztalták, majd ledöntötték a dízelt. A szikragyújtású négyütemű ciklus ma is dolgozik az utakon - de hozzátenni, hogy ennek a 150 éves versenynek a célegyenese már elektromosan húzódik, a történelmet olvasó dolga.

Források