Miért tűnt el a kéttakti motor az autókból?

A kétütemű, minden ciklusban az üzemanyag egy részét közvetlenül a kipufogóba juttató egyszerű motornak a nyolcvanas évek szigorú károsanyag-kibocsátási szabályai miatt ki kellett szállnia az autókból.
A kétütemű, minden ciklusban az üzemanyag egy részét közvetlenül a kipufogóba juttató egyszerű motornak a nyolcvanas évek szigorú károsanyag-kibocsátási szabályai miatt ki kellett szállnia az autókból.

Az oldal megosztása

A kétütemű motor eltűnt az autókból, mert alapvető működési elve az üzemanyag és az olaj egy részének közvetlen kipufogóba jutását jelenti; a nyolcvanas években szigorodó kibocsátási előírások ezt a felépítést a betiltás határára sodorták, és a négyütemű motorok rohamos fejlődése betöltötte az űrt. De ez nem a történet vége. Egy időben milliók autóit mozgató, kézzel felemelhető és rendkívül olcsón gyártható motor felemelkedése és bukása a autótörténelem egyik legérdekesebb mérnöki leszámolását meséli el.

A legfontosabbak

  • A kétütemű motor egy erőciklust a főtengely két fordulat alatt fejez be; a négyütemű ugyanezt a munkát két fordulat alatt végzi el.
  • A Trabant 601 motorjában mindössze 5 mozgó alkatrész volt, és a motor olyan könnyű volt, hogy kézzel meg lehetett emelni.
  • A Saab 96 eredetileg 38 lóerőt adott le 841 köbcentis, háromhengeres kétütemű motorjával; 1966-ra ez az érték 46 lóerőre nőtt.
  • A kétütemű autók gyártása a Nyugaton a nyolcvanas években a kibocsátási szabályok miatt véget ért; a Keleti Blokk körülbelül 1991-ig folytatta.
  • A tipikus üzemanyag-olaj arány 32:1; ezt az olajat elégetik, ami felduzzasztja a szénhidrogén-kibocsátást.

Hogyan működik a kétütemű motor, és miért ilyen egyszerű?

Egy belső égésű motor által végzendő munka meghatározása egyértelmű: szívás, sűrítés, égés és kipufogás. A négyütemű motor ezt a négy fázist a dugattyú négy ütemére, azaz a főtengely két teljes fordulatára osztja el. A kétütemű motor ugyanazt a ciklust a dugattyú két ütemében, a főtengely egyetlen fordulatában fejezi be. Az eredmény matematikailag egyértelmű: minden alkalommal, amikor a dugattyú eléri a felső holtpontot, égés történik, és teljesítmény keletkezik. Míg a négyütemű motorban a teljesítmény a négy munkaütemből csak egyben érkezik, a kétüteműben minden felső holtpontnál. A teljesítményütemek gyakorisága megduplázódik.

Ennek a sebességnek az ára a szelepmechanizmus feláldozása. Az alapvető, karteres kétütemű konstrukcióban nincsenek szelepek; a feladatukat a hengerfal nyílásai és a dugattyú saját mozgása veszi át. A kipufogónyílás a teljesítményütem alatt nyílik meg, amikor a dugattyú lefelé halad; az új üzemanyag-levegő keverék az átfúvónyíláson keresztül jut a hengerbe, és kiszorítja a maradék kipufogógázt. Ez az átöblítési folyamat a motor legzseniálisabb és egyben leggyengébb láncszeme - ezt hamarosan látni fogjuk. A kenés is hasonló egyszerűségre épül: az olajat az üzemanyagba keverik, az áthalad a karteren, és a motorral együtt elég. A keverék minden irányban lehetővé teszi a működést; ezért a kétütemű motor továbbra is ideális a hordozható szerszámokhoz, ahol a gravitáció iránya közömbös.

Körkörös átöblítés: A kritikus fejlesztés

A korai kétütemű motorok egyszerű keresztáramú öblítést alkalmaztak, és a friss keverék kiszökése a kipufogóba komoly problémát jelentett. Adolf Schnürle által az 1920-as évek közepén kifejlesztett, alappal rendelkező hurokösblítés (loop) lehetővé tette, hogy a friss keverék szabályozott kört írjon le a hengerben, és kiszorítsa a kipufogógázt. Ez a megoldás az 1930-as években Németországban terjedt el, majd a második világháború után az egész világon elterjedt. A későbbi mérnöki értékelések megerősítették, hogy a hurokösblítés minden körülmények között hatékonyabb a keresztáramúnál; a háború utáni összes kétütemű autó erre az architektúrára épült.

Korai időszak: Clerk, Benz és a szelep nélküli motor születése

A kétütemű koncepció majdnem olyan régi, mint maga az automobil. Az első kereskedelmi, hengersűrítéses kétütemű motor szabadalmát a skót mérnök, Dugald Clerk szerezte meg 1881-ben; azonban Clerk terve egy terjedelmes konstrukció volt, amely a sűrítést külön töltőhengerrel végezte. Érdekes történelmi megjegyzés: Karl Benz 1879. december 31-én készített egy kétütemű gázmotort, és 1880-ban Németországban szabadalmaztatta. Az automobil atyjának tekintett név első motorja nem négyütemű, hanem kétütemű volt.

Az igazi fordulópont a modern kétütemű gerincét adó, feltöltő-karteres öblítésű tervezés megjelenése volt. Ezt a megközelítést általában az angol Joseph Daynek tulajdonítják; Day munkatársa, Frederic Cock pedig a motort teljesen szelepmentessé téve megteremtette a ma ismert formát. Az első igazán gyakorlati megvalósítás szintén Angliából érkezett: Alfred Angas Scott 1908-tól kezdve kéthengeres, vízhűtéses motorkerékpárokat gyártott. A motorban kiforrott technológiát a következő évtizedekben az autókra vitték át, éppen akkor, amikor Európa leginkább szüksége volt rá.

A DKW és a kétütemű robbanás a háború utáni Európában

A háború utáni Európában acélhiány, pénzhiány, mindenből hiány volt. Minél kevesebb mozgó alkatrésze volt egy autónak, annál olcsóbban lehetett előállítani és annál könnyebb megjavítani. A kétütemű motor pontosan ennek a számításnak a közepén állt: kevesebb alkatrész, alacsonyabb tömeg, egyszerűbb karbantartás. Ráadásul a teljesítményimpulzus kétszer gyakoribb voltása literenként magasabb teljesítményt jelentett - kisméretű motorokkal is elérhető volt az ésszerű teljesítmény.

Ennek a színtérnek a középpontjában a DKW állt. Alapítója a dán Jørgen Skafte Rasmussen 1928-ban megvásárolta a zwickaui Audi gyárat. A DKW 1929-től kezdett automobileket gyártani, és kétütemű motorjait más gyártóknak is szállította; 1929-ben 600 cc-s kéthengeres, 15 lóerős motorokkal kezdte a motorsporti karrierjét. A DKW 1930-as évekbeli terveit ma a kétütemű motorok történetének legfontosabb alkotásaként értékelik. 1953-ban a cég bemutatta az elöl hajtott, háromhengeres, 896 cc-s kétütemű DKW 3=6 modellt - "Sonderklasse" néven.

A legfontosabb kétütemű autógyártók

  • Saab (Svédország): a 92, 93, 95, 96, Sonett II és származékaiban háromhengeres kétütemű motort használt.
  • DKW és Auto-Union (Németország): a technológia fő fejlesztője és beszállítója.
  • VEB Sachsenring (Kelet-Németország): a Trabant gyártója.
  • VEB Automobilwerk Eisenach (Kelet-Németország): Wartburgokat gyártott.
  • FSO és FSM (Lengyelország): Licenc alapú kétütemű gyártás.
  • Suzuki és Subaru (Japán): Az 1970-es évekig gyártott kétütemű autókat.

Mikroautóknál is ugyanez az elv érvényesült. Az olyan járműveknél, mint a Messerschmitt KR200, a hátramenet megspórolása katasztrofálisan drágának bizonyult volna; a kétütemű motort rövid időre fordítva működtetve lehetett hátramenetet biztosítani. Ez inkább a szegénység logikája volt, mint a mérnöki elegancia - de működött.

Trabant és Wartburg: a Keleti Blokk kétütemű gerince

Yalnızca beş hareketli parçayla ve elle kaldırılabilecek hafiflikte bir motor, Trabant sahiplerine aracını kendi elleriyle yolda tamir etme özgürlüğünü veriyordu.

A Trabant volt a kétütemű filozófia legtisztább megnyilvánulása. A Trabant P50 motorja valójában a DKW F8-ből származott: 500 cm3, először 17, majd 18 LE. Az ezt követő Trabant 601 egy 594,5 cm3-es (72×73 mm) kéthengeres kétütemű Otto-motort hordozott. A változatok gyártási év szerint eltértek: az 1963 és 1970 közötti motorok 23 LE-t, az 1970 és 1990 közötti motorok 26 PS-t (19,1 kW) adtak 4200 fordulat/percnél. A nyomaték 53 Nm, a legnagyobb sebesség körülbelül 100 km/h, a literenkénti teljesítmény 38,7 LE volt.

A számok szerények, de az igazi meglepetés a motor felépítésében rejlik: összesen mindössze 5 mozgó alkatrésze volt, és olyan könnyű volt, hogy kézzel is meg lehetett emelni. Kelet-Németország viszonyai között ez azt jelentette, hogy a tulajdonosok maguk meg tudták javítani a motorjukat az út szélén. Az árát persze meg kellett fizetni: a motor keverék-üzemanyaggal (benzin-olaj keverék) működött, és utazósebességen lejtőn a 23 LE és 52 Nm teljesítmény és nyomaték nyilvánvalóan kevésnek bizonyult. Nem a teljesítmény, hanem a hatótáv és a komfort volt a probléma.

A testvérmárka, a Wartburg ambiciózusabb volt: DKW-fejlesztéssel, 910 cm3-es háromhengeres kétütemű motorral indult (kezdetben 28 LE), 1962 után a hengerűrtartalmat 991 cm3-re növelték. Ezek a motorok felső kategóriás vezetési élményt kínáltak a Trabant szerény egységéhez képest - de ugyanarra az alapelvre épültek, és ugyanazt a környezeti számlát kellett kifizetniük.

Saab: a kétütemű legelegánsabb hangja

A kétütemű autó egyik legsikeresebb értelmezése Svédországon belül született. A Saab első autója, a Saab 92 1949 decemberében került gyártásba, és rendkívül aerodinamikus karosszériájával keltett feltűnést. A vállalat a DKW-terveken alapuló, 750 és 850 cm3-es, billentyűs feltöltésű háromhengeres motorokat fejlesztett; a 750 cm3-es standard egység évtől és modelltől függően 36-42 LE-t adott. A Monte Carlo Rali változat feltöltött főtengelyű motorja pedig elérte a 65 LE-t - egy kis hengerűrtartalmú kétütemű számára lenyűgöző érték.

A Saab 93-mal (1955. december) megérkezett a soros háromhengeres motor, és ez az egység lett az a motor, amely a Saab nevét a világhírnévre vitte. A Saab 96 (1960-1980) eleinte 841 cm3-es háromhengeres kétütemű motort hordozott: kezdetben 38, 1966-ig 46 LE-t. De a kép egyre szűkebb lett. A Saab fokozatosan felhagyott a kétütemű motorokkal a hatvanas évek közepén, és az 1967-es modévtől kezdve a Ford Taunus V4-re váltott. Az 1967-es Saab 96 a történelemben "az utolsó magas szintű kétütemű autóként" vonult be. A négyütemű zajtalan, korommentes és zavaró mellékhangok nélküli jellege a svéd vásárlókat is megnyerte.

Miért tűntek el a kétütemű autók? Károsanyag-kibocsátási és üzemanyag-számítás

A eltűnés okát egyetlen szám foglalja össze: 32:1. Egy tipikus forgattyúházi tömörítésű kétütemű az úgynevezett "total-loss" petróleumolaj-kenési rendszert használja; az üzemanyag-olaj arány körülbelül 32:1. Ennek az olajnak egy része elég, más része kipufogógócseppek formájában a légkörbe kerül. Az azonos teljesítményű négyüteműhöz képest különösen a szénhidrogén-kibocsátás markánsan magasabb. Ehhez jön még egy második mechanikai probléma: szelepnélküli felépítésnél azokon az időszakokon, amikor a szívó- és kipufogónyílások egyidejűleg nyitva vannak, a friss üzemanyaggőz egy része a kipufogóba szökik. A kis léghűtéses motorokban a magas égési hőmérsékletek emellett NOx-ot is termelnek.

Az üzemanyag-fogyasztás is ugyanebből a gyökérből fakad. Míg a sűrített üzemanyag-levegő keverék hűtő hatást fejt ki a dugattyúra, egy része egyenesen a kipufogócsőbe szökik; vagyis az üzemanyag egy része munkavégzés nélkül ég el, vagy egyáltalán nem ég el. Bár elméletileg magas hődinamikai hatásfokú ciklusról van szó, a gyakorlatban az átöblítési vesztesek lenyelik ezt az előnyt, és a kétüteműek a valós világban több üzemanyagot fogyasztanak, mint a négyüteműek. Az a rövid idő, amikor a szívó- és kipufogónyílások együtt vannak nyitva, és a friss keverék a kipufogóba szivárog, a kétütemű sorsát meghatározó alapvető fizikai korlát.

Az egyszerűség paradoxona

A kétütemű alapvető létoka az egyszerűsége volt; de a modern követelmények ezt az előnyt megfordították. A károsanyag-kibocsátást és a hatásfokot javítani próbáló kétütemű tervek annyira drágák, nehezek és bonyolultak lettek, mint a négyüteműek - vagyis elvesztették saját létokukat. A közvetlen befecskendezés nagyrészt kiküszöbölhette volna a karburátoros kétüteműek üzemanyag-szökését; de ez a megoldás költséget és bonyolultságot jelentett, ami már nem egyeztethető össze az olcsó motor filozófiájával. A Nyugaton egyre szigorodó levegőszennyezési szabályozások az 1980-as években véget vetettek a kétütemű autók gyártásának; a Keleti Blokk a Trabanttal és a Wartburggal kb. 1991-ig kitartott.

Miért maradtak tovább a motorok?

Ugyanez a számítás a két kerékre is érvényes volt, de az időzítés kicsit másképp alakult. A Honda jóval korábban feladta az úti motorokat; az Egyesült Államokban viszont csak 2007-ben állította le a kétütemű terepmotorok értékesítését. Ma az Egyesült Államokban eladott minden új belső égésű autó négyütemű - a kétütemű hivatalosan is az autótörténelem szemétdombjára került.

Hol élnek ma a kétütemű motorok?

Az autókból eltávolított kétütemű nem tűnt el teljesen; csak a térfogat és a jogi tolerancia csökkent. A teljesítmény/tömeg előny és a minden irányban történő működés képessége bizonyos alkalmazásokban ma is döntő. Napjainkban a kétütemű motorok a következő területeken élnek:

  • Kis utakon használt, zsírozós (olajkeverékes) motorkerékpárok, mopedek, rollerek és motoros biciklik
  • Hajómotorok, hómobilek és gokartok
  • Kézi szerszámok: láncfűrész, lombfúvó, fűnyíró szegélyvágó
  • Tuk-tukok, RC autók, ultrakönnyű gépek és modellrepülők
  • Nagy kétütemű dízelmotorok: ipari, hajózási, mozdony- és generátoralkalmazások, ahol a súly nem fontos

Mégis a trend egyértelmű: a fejlett országok szennyezésszabályozásai lépésről lépésre szűkítik a kétütemű motor felhasználási területeit. A szabályozás lazasága révén a kisebb lökettérfogatú kétüteműek motorkerékpárokban és mopedekben megtartják népszerűségüket.

Konklúzió: Egy mérnöki egyenlet történelmi tanulsága

A kétütemű motor eltűnése az autókból nem azért történt, mert a technológia rossz volt, hanem azért, mert megváltozott az a mérleg, amelyben megmérettetett. A háború utáni évek egyenlete az alkatrészszámot, a költséget és a teljesítmény/tömeg arányt helyezte előtérbe; a kétütemű mindháromban nyert, és a DKW, Saab, Trabant és Wartburg modellekkel milliókat mozgattak meg. Az 1980-as évek egyenlete viszont a kibocsátást, az üzemanyag-fogyasztást és a kifinomult mérnöki megoldásokat helyezte előtérbe - és az átöblítési veszteségek, valamint a total-loss kenés okozta fizikai korlát a kétütemű motort ebben a számításban vereségre ítélte. Az autótörténelemben kevés technológia adott ilyen egyértelmű leckét arról, mennyire is szilárdak az előnyei: nemcsak az számít, mikor volt erős, hanem az is, mikor válik érvénytelenné, ennek is része egy tervezési döntésnek.

Források