Motorépítő iskolák 2. rész – A magyar iskola, amely karaktert adott

A belső égésű motorok fejlődése nemcsak technikai újítások sorozata, hanem sokkal inkább különféle gondolkodásmódok találkozása. A különböző országok mérnökei eltérő környezeti, gazdasági és kulturális körülményekhez alkalmazkodva hozták létre saját motorfejlesztési irányzataikat – ezeket nevezzük most iskoláknak. A mai modern motorok paraméterei – mint például a furat/löket arány, a sűrítési viszony vagy a fajlagos teljesítmény – ezekből az iskolákból nőtték ki magukat. De vajon miért éppen így alakultak? És miért tartották akkoriban ezeket az értékeket ideálisnak? Cikksorozatunkban ezekre a kérdésekre keressük a választ.

Gyorsan lelőve a poént: Miért alakultak ki iskolák? Mert adott ország technológiai lehetőségei, általánosan hozzáférhető tüzelőanyagának minősége, gazdasági realitásai és felhasználási szokásai mind-mind más szempontokat helyeztek előtérbe – így alakultak ki eltérő műszaki stílusok, melyek – alaposan összekavarodva de - máig uralkodnak.

A motortervezési paraméterek rendszerszintű összefüggései

A motorparaméterek – mint a hengerek száma, a furat/löket arány, a sűrítési viszony vagy a szelepvezérlés – nem önmagukban önállóan léteznek, hanem szorosan hatnak egymásra.

Miért fontos ez? Mert ha például növeljük a hengerfuratot, akkor nő a hengerfejben elérhető szelepátmérő, ami jobb gázcserét biztosíthat (hiszen nagyobb keresztmetszeten gyorsabban tud áramlani a tüzelőanyag-levegő keverék/aeroszol), viszont nő a dugattyú átmérője is, így a tömege is megnő. Ez a nagyobb dugattyútömeg alternáló mozgása közben nagyobb tehetetlenséget jelent, ami korlátozza a motor maximális fordulatszámát. Ráadásul a nagyobb furat (nagyobb tér) miatt hosszabb gyújtási frontot kell végigvinni az égéstérben, ezért a gyújtásidőzítést is módosítani kell – jellemzően korábban kell gyújtani, hogy az égés optimális ponton és időpontban fejtse ki a nyomását. Láthatjuk, hogy a rendszer egyensúlyra törekszik, és minden módosítás más területen is korrekciót igényel.

A magyar iskola

Az Osztrák-Magyar Monarchiában megszületett, majd a háború előtt már kiteljesedni igyekvő magyar motorgyártás – mely megelőzte a cikksorozat első részében tárgyalt oroszt - technikatörténeti jelentősége és mérnöki mélysége legteljesebben három kiemelkedő irányvonalon keresztül érthető meg: a Ganz–Jendrassik dízelmotorokon, a későbbi Rába–MAN D2156 sorozaton és a Pannon-elvű égéstérkoncepción keresztül. Ezek mind önálló fejlesztési filozófiát, szerkezeti sajátosságokat és globálisan is érvényes mérnöki megoldásokat képviseltek, melyek részben máig hatnak. A magyar fejlesztések közös kényszere a geopolitikai és gazdasági helyzetből fakadó mérnöki szükségszerűség volt: kevés erőforrásból, szűk exportpiaci lehetőségek mellett, politikai korlátok között kellett megbízható, tartós és sokoldalúan alkalmazható erőforrásokat alkotni.

A Ganz–Jendrassik VI JaR 135 motor a világ első sikeres gyorsjáratú dízelmotorja volt, amelyet a Ganz gyárban Jendrassik György fejlesztett ki az 1930-as években. Ez a motor előkamrás égésterű, 6 hengeres, körülbelül 13,5 literes lökettérfogatú dízelmotor volt, 160 lóerős teljesítménnyel és 1100 1/min névleges fordulatszámmal. Az előkamra nem Jendrassik György találmánya, viszont ő alkalmazta azt Magyarországon elsőként - vasúti járműmotorban. A Ganz–Jendrassik-motorok különlegessége nem abban állt, hogy előkamrásak voltak, hanem az előkamra sajátos geometriai és működési kialakításában, pl. a ferde elhelyezésben, a vákuumos hidegindítási eljárásban, illetve a befecskendezési rendszer „többfokozatú” karakterében.

Fotó: Gyenes Viktor

Az égéstér elhelyezése és kialakítása elősegítette a megbízható hidegindítást és az egyenletes teljesítményleadást. A Ganz–Jendrassik VI JaR 135 motorban alkalmazott előkamrás égéstér nemcsak technikai újdonság volt a maga idejében, hanem funkcionálisan is forradalmi megoldás – különösen a megbízható hidegindítás és az egyenletes teljesítményleadás szempontjából. Az előkamra egy kis térfogatú, a fő égéstértől szűk járattal (ún. „gyújtócsatornával”) elválasztott rész, ahol a befecskendezett tüzelőanyag könnyebben begyullad – még alacsony hőmérsékleten is. Ez azért történik, mert a befecskendezéskor az előkamrában magasabb lokális nyomás és hőmérséklet alakul ki, mint a főkamrában. Az előkamrában keletkező „elsődleges” égés robbanásszerűen átlöki a lángot a gyújtócsatornán, amely azonnal belobbantja a főkamrában található keveréket. Ez a „gyújtóláng-hatás” különösen jól működik alacsony indításifordulatszám mellett is. Mivel a hidegindítás során nem az egész hengerteret kell egyszerre meggyújtani, hanem egy kicsi, könnyen belobbanó térből indul az égés, az indítómotor is kisebb terhelést kap.

Az előkamrás kialakítás adta szimmetrikus nyomásnövekedés során a lángfront a gyújtócsatornán keresztül irányítottan terjed szét, így a fő égéstérben folyamatos, nem robbanásszerű nyomásnövekedés jön létre. Ez csökkenti a dugattyúra ható lökésszerű erőket, így a mechanika „kíméltebben” dolgozik/igénybevétele mérsékeltebb. A Ganz–Jendrassik motorok befecskendező rendszere nem közvetlenül a főtérbe fecskendezett, hanem az előkamrába, így a keverék homogenitása magasabb volt. A finomabb befecskendezés egyenletesebb égési hőeloszlást és stabilabb teljesítményt eredményezett. Az előkamra és főkamra arányos hőeloszlása révén nem alakultak ki lokális hőcsúcsok, amelyek teljesítményingadozást vagy hűtési instabilitást okoztak volna.

A motor többféle alkalmazásban bizonyított: vasúti járművek, hajók és aggregátok egyaránt használták és a harmadik világban még néhol ma is használják! A VI JaR motorcsalád moduláris jellege – többféle hengerszám, hengerpár-tömbök, szerelhetőség – különösen előremutató volt a korszakban. A "miértre" adott válasz ebben az esetben egyértelmű: egy gazdaságilag kis ország nem fejleszthet külön motort minden járműtípushoz, ezért egy sokoldalúan felhasználható, szerkezetében variálható motor jelentette a fenntartható műszaki megoldást. A motor licencét több ország is megvásárolta.

A vákuumos hidegindítás: A Ganz–Jendrassik-motorok vákuumos hidegindítási eljárása egy innovatív és szabadalmaztatott megoldás volt, amely Jendrassik György egyik legfontosabb találmánya a dízelmotorok hidegindításának megkönnyítésére, elektromos előmelegítés nélkül. A rendszer lényege a szívószelep működésének speciális időzítésén alapult, amely a hidegindítás során eltért a normál üzemmódtól.

A hidegindításkor a szívószelep nem a szívólöket elején, hanem csak annak utolsó negyedében nyílt meg. Ez azt eredményezte, hogy a dugattyú lefelé haladása közben a henger szinte teljes hosszában vákuumban maradt, mivel nem jutott be levegő. Amikor végül a szívószelep kinyílt, a külső légnyomású levegő nagy sebességgel és erős turbulenciával áramlott be a hengerbe. Ez a gyors beáramlás adiabatikus felmelegedést okozott: a levegő a hirtelen nyomáskiegyenlítődés, az örvénylés és a súrlódás hatására jelentős hőmérséklet-emelkedésen ment keresztül. Ennek következtében a beáramló levegő hőmérséklete mintegy 150 °C-kal magasabb lett, mint amit normál szívólöket esetén elérne.

A meleg levegőt ezután a dugattyú összesűrítette, tovább növelve annak hőmérsékletét a kompresszió végpontján. A magasabb hengerfeji hőmérséklet elősegítette a befecskendezett nyersolaj azonnali meggyulladását, még extrém hideg időjárási körülmények között is. Így a motor képes volt beindulni anélkül, hogy izzítógyertyára, lángmelegítőre vagy bármilyen elektromos fűtésre lett volna szükség.

A műszaki megvalósítás során a vezérműtengelyt állítható bütykös kivitelben készítették, amely tengelyirányban eltolható volt. Ezzel a konstrukcióval lehetett változtatni a szívószelep nyitási időpontját, kizárólag hidegindítási üzemmódban. Az eljárás jól működött kompresszor nélküli, előkamrás dízelmotorokon, különösen olyan alkalmazásokban, ahol az indítási segédrendszerek elkerülése előnyös volt – például távoli vasúti vagy ipari gépeknél.

Ez a vákuumos hidegindítási megoldás nem terjedt el más motorgyártóknál, ugyanakkor tökéletesen illeszkedett a Ganz–Jendrassik-motorok egyszerű, robusztus és üzembiztos tervezési elveihez. Az ilyen motorkonstrukciók célja a lehető legkevesebb segédrendszerrel való működőképesség biztosítása volt, így ez a megoldás különösen hasznosnak bizonyult ott, ahol a megbízhatóság és az önálló indíthatóság kulcsfontosságú szempont volt.

A Rába–MAN D2156 motorcsalád a magyarországi dízelmotor-fejlesztés egyik legjelentősebb iparstratégiai termékévé vált. A motorok a német MAN licenc alapján készültek, de a hazai gyártástechnológia és felhasználási igények figyelembevételével jelentős mértékű konstruktőri adaptáción estek át. A D2156 sorozat soros elrendezésű, hathengeres, alulvezérelt, vízhűtéses kivitelben készült, centrálisan elhelyezett, gömb alakú égéstérrel. Ez az égéstér-geometria lehetővé tette az előzetes örvénylési viszonyok szabályozását, elősegítve a tüzelőanyag–levegő keveredését, különösen részterheléses és hidegindítási körülmények között.

A motor furat–löket aránya 121 × 150 mm, „alulnyomatékos” motort eredményezett.azaz alacsony fordulatszám-tartományban is jelentős nyomatékot. A 10,3 literes hengerűrtartalom mellett, 17:1 kompresszióviszony segítségével a motor ~695 Nm nyomatékot adott le 1300 f/min fordulaton, míg maximális teljesítménye 192 LE volt 2100 f/min névleges fordulatszámon. A konstrukciós alapelvek között szerepelt a moduláris felépítés, a megerősített motorblokk és hengerfej tömbszerű kialakítása, teljes áramú kenési rendszer, valamint az in-line adagolórendszer. A motor különböző változatokban készült (pl. HM, HT, MTN6), amelyeknél a járulékos rendszerek – mint a hűtés, légsűrítés, indítás – csereszabatos blokkokként lettek kialakítva, így könnyen testre szabhatók voltak exportra vagy katonai alkalmazásra.

A D2156-osokat széles körben használták Ikarus 250/260/280 típusú autóbuszokban és Rába 831, Rába H18 típusú tehergépkocsikban. Jelentős export történt a Közel-Keletre, Afrikába, valamint a keleti blokk országaiba, mint az NDK, Kuba vagy Vietnám. Ezekben a régiókban a korlátozott karbantartási infrastruktúra ellenére is elvárás volt a megbízható üzemeltetés. A motorcsalád fejlesztésének stratégiai célja az volt, hogy a KGST ipari munkamegosztásán belül egy univerzálisan alkalmazható dízelmotor szülessen, amely egyaránt beépíthető személy- és teherszállító járművekbe, mezőgazdasági vontatókba, katonai off-road platformokba, illetve helyhez kötött ipari erőgépekbe is, mint kompresszorok vagy szivattyúk. A koncepció központi eleme a minimális alkatrész-szortiment és a magas fokú interoperábilis szervizelhetőség volt, mellyel jelentősen csökkenteni lehetett a logisztikai és fenntartási igényeket a változatos környezeti feltételek mellett.

A magyar gyártású változatokban a licencmotorokhoz képest számos konstruktív módosítást vezettek be. A főtengely és hajtórúd csapágyazásának anyagait és kenését megerősítették az extrém igénybevétel – például afrikai hőség vagy rideg szovjet üzem – miatt. A hengerfejek és olajteknők öntvényeit a hazai öntödék képességeihez igazították. A tüzelőanyag-ellátó rendszer finomhangolását a gyenge minőségű dízelolajhoz való alkalmazkodás indokolta, míg az Ikarus és Rába integrációkhoz igazított szervizpontok egyszerűsített karbantartást biztosítottak. Hidegindítási segédrendszereket is alkalmaztak – például fűthető szívócsonk vagy gázolajpermetezés – a magyar éghajlati viszonyokhoz való jobb illeszkedés érdekében.

A Pannon-elvű motorfejlesztés a magyar járműgépészet egyik legígéretesebb, de kiaknázatlan innovációja volt, amely a Ganz–Jendrassik-féle égéstér-elmélet továbbgondolásából született meg a Budapesti Műszaki Egyetemen. Lényege az volt, hogy a hagyományos dízelmotorokhoz képest alacsonyabb kompressziós arány mellett, szabályozott és lokalizált gyújtóponttal biztosítsa az égésfolyamatot. A Pannon-motorok égésterében örvénylési zónák (swirl) segítségével végezték az égési nyomás- és hőcsúcsidő pontos szabályzását. A cél nem a teljes térfogatú öngyulladás, hanem egy jól kontrollált, fokozatosan terjedő égési front kialakítása volt. Az égéstér kialakítása két zónából állt: a hűtött főtérből és egy nem hűtött, izzó fejfelületből, amely 550–600 °C-on tartva szolgált a gyújtás kiindulópontjaként. A befecskendezés tangenciálisan (azaz a hengerfal mentén) történt, így a keverék először a forró felületet érte, majd csak ezt követően terjedt tovább a hűtött égéstérben.

Ez a megoldás lehetővé tette, hogy a motor (labor körülmények között) akár 6:1 kompresszióviszony mellett is megbízhatóan működjön, alacsony zajszinttel, csekély füstképzéssel, valamint könnyű hidegindíthatósággal. A konstrukcióhoz könnyűfém dugattyú, hurkos öblítés, 1:3 arányú befecskendezés és optimalizált porlasztási szög társult. A technológia eredményeképp a tüzelőanyag- és kenőanyag-fogyasztás jelentősen csökkent, a karbantarthatóság egyszerűbbé vált, miközben a motorok hosszabb élettartamot biztosítottak. A Pannon-égésteret több mint 2500 Hofherr G–35 traktorba építették be, és további kísérleti motorokkal – például a DT–413 és Danuvia típusokkal – is pozitív tapasztalatokat szereztek. A technológia nemcsak műszaki, hanem gazdasági és egészségügyi előnyöket is nyújtott: a traktorosok által korábban panaszolt zaj, rezgés és káros kipufogógáz jelentősen csökkent, miközben egy-egy gép éves többlethozama megugrott.

Az ipari bevezetés végül elmaradt, részben a gyorsan változó technológiai trendek, részben pedig a hazai iparpolitikai koordinációs hiányosságok miatt, holott külföldről – különösen Kínából – is mutatkozott érdeklődés a rendszer iránt. A Pannon-elv így máig egy kiaknázatlan technológiai örökségként él tovább, de szellemisége több ponton is tetten érhető a mai motorfejlesztésben.

A koncepció alapgondolata, vagyis az égésfolyamat lokális gyújtóponttal történő, kontrollált indítása az elmúlt évtizedben új megközelítésekben tért vissza a motorfejlesztő laborokba: a „partiális gyújtás” (PCCI) és „reaktív zónás gyújtás” (RCCI) technológiáiban. Ezek célja szintén a zaj- és füstképződés csökkentése, valamint a gyújtás kiszámíthatóságának javítása lett volna. A különböző HCCI és PCCI rendszerek működésének alapja, hogy nem az egész égéstér egyszerre, hanem egy jól körülhatárolt zónában gyullad meg a keverék – ez a működési elv erős párhuzamot mutat a Pannon-égéstér működésével.

Emellett a globális Dél és a mezőgazdasági kisgépek piacán, ahol az Euro 6/7 normák nem fenntarthatók, újra értelmet nyernek az egyszerűbb, megbízható konstrukciók, mint amilyen a Pannon-égéstér is volt. Oktatási és történeti szinten a BME gépészmérnöki képzésében esettanulmányként szerepel, a Hofherr traktorok restaurálása és a Magyar Műszaki és Közlekedési Múzeum gyűjteménye révén pedig a technológia tárgyi emlékei is fennmaradtak. Fenntarthatósági szempontból a Pannon-elv már a maga idejében is figyelembe vette az alacsony minőségű tüzelőanyaggal való üzemelést, a szervizelhetőséget és az egészségügyi hatásokat – ezek a prioritások ma újra stratégiai jelentőségűek lehetnek.

A "miért" tehát abban keresendő, hogy a magyar motorfejlesztés a saját nyersanyag-, éghajlati és agrárkörnyezetéből indult ki, ahol nem lehetett mindig nagy tisztaságú dízellel számolni, ezért a belső égési folyamat megbízhatóságára, szabályozhatóságára és egyszerűségére kellett optimalizálni. Bár az ipari főáram nem vette át közvetlenül, a Pannon-elv a HCCI és pre-mix égésterek egyfajta előfutáraként is értelmezhető, és mint ilyen, helye megkérdőjelezhetetlen a magyar és a világ járműgépészeti örökségben.

És akkor: a magyar iskola

A három alapvető magyar motorkonstrukciós irányzat – a Ganz–Jendrassik motorcsalád, a Rába–MAN D2156 fejlesztési program és a Pannon-elv – közös karaktervonásai alapján a magyar motorgyártás önálló iskolaként definiálható a nemzetközi belső égésű motorfejlesztés történetében. E közös pontok mélyen technológiai, iparstratégiai és mérnökfilozófiai alapokon nyugszanak:

Az első közös jellemző a rendszerfüggetlen működésre való törekvés. Mindhárom fejlesztési vonal célja az volt, hogy a lehető legkevesebb segédrendszer alkalmazásával, külső energia vagy komplex szabályozástechnika nélkül is üzembiztos, megbízható indíthatóságú és tartósan terhelhető motor jöjjön létre. Jendrassik vákuumos hidegindítása, a D2156 motorok egyszerűen szervizelhető konstrukciója és a Pannon-elv lokális gyújtási felületre épülő égésfolyamata egyaránt ezt a rendszerminimalista hozzáállást testesítette meg.

A második közös pont a gyenge minőségű tüzelőanyaghoz való alkalmazkodás. A magyar motorok fejlesztése során mindig kiemelt figyelmet kapott, hogy azok ne csak laboratóriumi, hanem valós, akár szélsőséges üzemi körülmények között is működjenek – legyen szó vasúti dízelről, buszmotorról, mezőgazdasági gépről vagy katonai járműről. A Pannon-motor például kifejezetten arra épített, hogy a gyenge minőségű, nagy víztartalmú vagy rosszul finomított tüzelőanyagokat is elviselje, minimális füstöléssel és zajjal.

A harmadik közös jellemző a tudatos égéstér-kialakítás, melynek célja nem pusztán a teljesítménynövelés, hanem az égési folyamat kontrollálhatósága, simasága és a hőcsúcsok elkerülése volt. Jendrassik előkamrája, a D2156 gömbégéstere és a Pannon-motor izzó fejfelületre irányuló tangenciális befecskendezése egyaránt arra utalt, hogy a magyar iskola mélyen foglalkozott az égési térben lezajló folyamatok termikus és nyomásdinamikai optimalizációjával – már évtizedekkel azelőtt, hogy ez világtrenddé vált volna.

Negyedszer, mindhárom fejlesztésre jellemző volt a modularitás és univerzalitás. A Ganz–Jendrassik motor hengerpáros modulokból volt szerelhető, a Rába–MAN D2156 család többféle célra volt adaptálható, míg a Pannon-elv égésterét különféle traktorokba és kismotorokba is sikeresen beépítették. Ez a moduláris gondolkodás nemcsak gazdasági, hanem logisztikai és haditechnikai szempontból is előnyös volt.

Végül, de nem utolsósorban, e fejlesztések mögött a gazdaságilag kényszerített innováció húzódott meg: egy politikailag zárt, nyersanyagokban szegény országban olyan műszaki megoldásokat kellett alkalmazni, amelyek a rendelkezésre álló technológiai és ipari háttérrel is megvalósíthatók voltak. Ez a mérnöki realizmus és alkalmazkodóképesség az, ami a magyar motorgyártás egészét áthatotta, és amitől az iskola nemcsak technikailag, de mentalitásában is egyedivé vált.

Ezek alapján kimondható, hogy a magyar motorfejlesztési iskola nem a teljesítmény-hajszolásról, hanem az alkalmazkodóképességről, a megbízhatóságról és a mérnöki intelligenciáról szólt – és ezek az értékek ma, a globális fenntarthatósági kihívások közepette újra relevánsak.

Forrás: Wikipedia, mymotorlist.com, arcanum.com, dzen.ru, cadmatic.com, mmkm.hu