Motorépítő iskolák 4. – A svéd és finn motorgyártás

Utazzunk most át a Balti-tengeren! Robosztusságról, megbízhatóságról, strapabírásról idáig bőven beszéltünk a különféle kelet-európai motorépítő iskolák kapcsán, ezt most kiegészítjük a skandináv országok motorépítésének egyik alapkövetelményével a hideg-, pontosabban fagytűréssel. A svéd és finn motorépítés ezen extra alapkövetelménye jelentősen formálta a motortechnikai megoldásokat. Az alábbi összefoglaló áttekinti a hidegtűrés műszaki követelményeit és hogy ezek hogyan jelentek meg a svéd és finn motorok konstrukcióiban.

Anno legendák-legendája volt Irv Gordon esete, aki 1966-ban vásárolta meg ikonikus vörös Volvo P1800S modelljét, és azzal több mint 5,1 millió kilométert tett meg, ezzel világrekordot állítva fel a legtöbb megtett távolság tekintetében egyetlen tulajdonos által, nem kereskedelmi célú járművel. A P1800S megbízhatósága és kiváló hidegtűrése kulcsszerepet játszott ebben a teljesítményben. A Volvo P1800S szívét a legendás B18B motor adta, egy 1,8 literes, soros négyhengeres, öt főtengelycsapágyas, felülszelepelt (OHV) erőforrás, amely 100 lóerőt teljesített. A motor öntöttvas blokkja és hengerfeje kiváló hőtartást biztosított, ami elősegítette a gyors üzemi hőmérséklet elérését hidegindításkor. A duplakarburátoros kialakítás és a mechanikus tüzelőanyag-ellátás egyszerűsége megbízható működést garantált még extrém hideg körülmények között is.

Mivel jár a hideg?

A -20 és -40 °C közötti üzemi környezet Skandinávia és Finnország jelentős részén nem extrém eset, hanem a téli időszak mindennapi valósága – különösen a Finn Lappföldön, a Botteni-öböl partvidékén, illetve a svéd Norrland régióban. Ez a környezet nem csupán a vezető és jármű számára jelent kihívást, hanem alapjaiban alakítja ki a motor és annak segédberendezései szerkezetét, működését és vezérlését.

A hidegtűrés nem egy komponens tulajdonsága, hanem egy komplex rendszerparaméter, amely a motor minden fő alrendszerét érinti. A hideg(fagy)tűrés nem opcionális extra, hanem az északi mérnöki gondolkodásban alapértelmezett követelmény, amely motorfilozófiát és alkatrészintegrációs döntéseket egyaránt meghatároz. Egy dízelmotor például nem indul el pusztán azért, mert a dugattyúk forognak: az égés akkor következik be, ha a sűrítés végén elérhető a tüzelőanyag-levegő keverék belobbanásához szükséges hőmérséklet – ezt viszont jelentősen befolyásolja a környezeti hőmérséklet, az indító/átforgatási fordulatszám a hengertömítettség/kompresszióviszony, az előmelegítés és a befecskendezés időzítése.

Hidegindításkor a kenőolaj viszkozitása drasztikusan megnő, így a belső súrlódás fokozódik, a főtengely átforgatása nehézkessé válik, és az olaj késve jut el a kritikus kenési pontokra. Ezt ellensúlyozandó, az északi motorgyártók túlméretezett olajszivattyúkat alkalmaznak, valamint fűthető olajtérrel és téli üzemi, alacsony viszkozitású kenőanyagokkal is számolnak. Például a finn Valmet 620 DSM típusú motorban (7,4 liter, 6 henger, 214,5 LE @ 2200 1/min, 880 Nm @ 1400 1/min) kettős olajkörös megoldással és alacsony súrlódású csapágyazással dolgoznak a hidegindítási biztonság érdekében.

A képen látható Sisu 634 dízelmotor tipikus példája a skandináv hideg-/fagytűrésre optimalizált motorkonstrukciónak. A motor masszív, öntöttvas blokkal és erősen bordázott hengerfejjel rendelkezik, ami a lassú hőleadást, így a hosszabb ideig tartó hőtartást biztosítja extrém hidegben. A tüzelőanyag-rendszer csővezetékei vastag falúak és több konstrukcióban fűthetőek, illetve duplafalú kivitelűek, megelőzve a paraffinosodás miatti eltömődést. A befecskendezés teljesen mechanikus, ami hidegben is üzembiztosabb, mint az elektromos rendszerek, ezzel redundanciát biztosít. A kenési rendszerhez tartozó olajszivattyú túlméretezett, az olajcsatornák és csapágyazás pedig a hidegindítási viszkozitásproblémákhoz alkalmazkodik. A motor konstrukciója előkészített előmelegítő rendszerek csatlakoztatására – mind a szívó-, mind a hűtőrendszer és az olajtér tekintetében –, így teljes egységként képes reagálni a -30 °C alatti hőmérsékleti környezetre. A szívóoldali kialakítás a lassú, stabil levegőáramlás és hőtartás érdekében szintén szigetelten vezethető.

A hideg/fagy jelentősen befolyásolja a tüzelőanyag-rendszert. A dízel tüzelőanyag paraffinosodik, mikrokristályos szerkezetűvé válik, amely eltömítheti a szűrőket és akadályozza a befecskendezést. Ennek elkerülése érdekében fűthető tüzelőanyagszűrők, dupla falú csővezetékek és „winter diesel” (magyar szlengben: “téli gázolaj”) alkalmazása vált általánossá. A Sisu Diesel 645 DSBIM motor (276,3 LE) esetében gyárilag integrált 12 V-os dízelszűrő-fűtés és belső tüzelőanyag-előmelegítés működik, amely lehetővé teszi a rendszer átfagyásmentes működését akár -35 °C-on is. A hengerfejeknél és szeleptányéroknál a ridegedés és tömítetlenség elkerülésére fém–fém csatlakozások hőre kitágulva is biztosítják a precíz illeszkedést, míg hideg állapotban elegendő rést hagynak a súrlódásmentes működéshez. A rugós tömítőgyűrűk (szimeringek) folyamatos mechanikai zárást biztosítanak, még hidegben is, amikor az elasztomerek merevebbé válnak. A szelepszárvezetőkbe több konstrukcióban fűtőszálat építenek be, különösen nagy hidegre szánt motorokban, hogy elkerüljék a kondenzáció és jégképződés miatti letapadást vagy törést. Ezek a megoldások együttesen biztosítják, hogy a szelepmechanika fagypont alatt is megbízhatóan működjön, ne sérüljön, és ne veszítse el tömítettségét.

Az elektromos rendszer szintén fokozott terhelésnek van kitéve: az akkumulátor kapacitása hidegben akár 50%-kal is csökkenhet, ami visszaveti az indítómotor nyomatékát és rövidíti az előizzítás időtartamát. Ezért fűthető akkutartókat, megnövelt indító áramerősségű (CCA) akkumulátorokat és alacsony veszteségű kábelezést alkalmaznak. Emellett egyes konstrukciók – különösen katonai vagy sarkvidéki alkalmazásra – kézi indítókaros vagy sűrítettlevegős indítási lehetőséggel is rendelkeznek.

A dízelmotorok égésfolyamata a kompressziós hőre. Mivel fagyban a levegő hőmérséklete eleve alacsony, a sűrítés végén nem feltétlenül éri el az öngyulladási küszöböt. Ezt a problémát az északi motorgyártók magas kompresszióviszonyú (jellemzően 17–18:1) konstrukciókkal és előizzító rendszerekkel hidalják át. A Scania DC12 motor (11,7 liter, 6 henger, 420 LE @ 1800 1/min, 1950 Nm @ 1050–1450 1/min) előkamrái gyártói titoknak számító anyagösszetételű bélésanyaggal vannak bélelve, amely lehetővé teszi a hengertér hőmérsékletének gyors emelkedését, és rövidebb előizzítási időt tesz szükségessé. Az előmelegítő rendszerek nemcsak a hengerfejre, hanem a hűtővízre és az olajtérre is kiterjednek, így a teljes blokk előmelegítése lehetséges még indulás előtt.

A hideg hatással van a kipufogógáz-utókezelő rendszerek működésére is. Az SCR (szelektív katalitikus redukció) és DPF (részecskeszűrő) rendszerek csak üzemi hőmérsékleteiken képesek hatékonyan működni, ezért hidegindítás után lassan aktiválódnak, ami magasabb NOₓ- és koromkibocsátást eredményez az első percekben. A Volvo D13 motor (13 liter, 6 henger, 375–500 LE, 2508 Nm @ 900 1/min) esetében a vezérlőegység külön hidegüzemi térképet alkalmaz, amely megnövelt alapjárati fordulatszámmal és késleltetett EGR-vezérléssel gyorsítja fel az utókezelő egységek üzemi hőmérsékletének elérését.

A Volvo D13 motorváltozatok részegységeinek egymásra hangolt megoldásai fagytűrés szempontjából számos kritikus fejlesztési jegyet hordoznak: a motorblokk és a hengerfej alumínium/öntöttvas kompozitból készült, amely masszív hőtartó tömeget biztosít, ezáltal csökkenti a hőveszteséget és segíti az üzemi hőmérséklet gyorsabb elérését. Az előmelegítő rendszerek csatlakozási pontjai, a hengerblokk, az olajtér és a hűtőkör előmelegítését teszik lehetővé akár külső hálózatról is. A képeken jól kivehetők a fűtött tüzelőanyagszűrők, amelyek a paraffinosodás és mikrokristályos szerkezetű dízel áramlási akadályainak megelőzését szolgálják extrém hidegben. A motoron több nagykapacitású olajszűrő található, amelyek ugyan nem rendelkeznek beépített fűtéssel, de az egész kenési rendszer a gyors felmelegedés és az alacsony viszkozitású olajok támogatására lett optimalizálva, így ezek is gyorsan üzemi hőmérsékletre kerülnek. A turbófeltöltő változó-geometriás kivitelű, amely lehetővé teszi a hatékonyabb feltöltést már alacsonyabb hőmérsékletű égés esetén is. A motorvezérlő egység hőmérsékletfüggő karakterisztikával dolgozik: hidegüzemben a motor magasabb alapjárati fordulatszámot alkalmaz, az EGR-vezérlés pedig késleltetett módon aktiválódik, így gyorsabban elérhető a DPF (részecskeszűrő) és SCR (szelektív katalitikus redukciós) rendszerek üzemi hőmérséklete. A szenzorok és a kábelezés hideg- és fagyálló szigeteléssel készülnek.

És hogy egy modern hideg/fagytűrő személyautó motorról is beszéljünk: A Volvo S90 Recharge T8 AWD Plug-in Hybrid hajtáslánca a modern skandináv mérnöki gondolkodás egyik kiemelkedő példája. A rendszer egy 2,0 literes, soros négyhengeres, turbó- és kompresszorral feltöltött benzinmotorból, valamint egy hátsó tengelyre szerelt elektromos hajtásmodulból áll, összteljesítménye eléri a 455 lóerőt, nyomatéka pedig 709 Nm, miközben akár 88 km-es tisztán elektromos hatótávra is képes. A rendszer komponensei között megtalálható az előmelegíthető belső égésű motor, amelynek kompaktra tervezett, hőtartó architektúrája segíti a gyors belső hőfelhalmozást: a szorosan integrált turbófeltöltő, kompresszor és szívócső elrendezése minimalizálja a hőveszteséget, így hidegindítás után gyorsabb lambda-szabályozás és üzemi hőmérséklet érhető el. A hajtáslánc részeként működő elektromos egységek, köztük az inverter, az elektromotor és a lítium-ion akkumulátorcsomag aktív hőmenedzsmenttel rendelkeznek: a rendszer képes mind az utasteret, mind az akkumulátort és az elektromos komponenseket előre felfűteni hálózatról vagy regeneratív energiából, biztosítva azonnali és megbízható működést akár -25 °C alatti hőmérséklet esetén is.

A képen látható Volvo Drive-E T8 Twin Engine hajtáslánc fagytűrés szempontjából rendkívül átgondolt és komplex megoldásokat vonultat fel. Jól kivehetők az integrált előmelegítő csatlakozók, különösen a narancsszínű elektromos interfész, amely a hibridrendszer töltéséhez és temperálásához – tehát az aktív, elektromos hőmérséklet-szabályozáshoz – szükséges. Az elektromos hajtásmodul egy külön folyadékhűtéses rendszert kapott, amelyen keresztül a temperálás megvalósul: a hőcserélő lehetővé teszi az optimális hőmérséklet kialakítását, így megakadályozza a nyomatékvesztést vagy a hajtáslánc lassú reakcióját hidegindításkor. A lítium-ion akkumulátor klímáját szintén hőcserélő szabályozza, ezzel elkerülhető a kapacitásvesztés, lassú töltés vagy akár cellakárosodás is. A hajtáslánc minden kenőkörét – ideértve a motorolajat, váltóolajat és az elektromos kenést is – alacsony viszkozitású kenőanyaggal látják el. A karter és az olajcsatornák kialakítása olyan, hogy minimális áramlási ellenállás mellett is gyorsan kialakuljon a megfelelő kenés, még erősen lehűlt környezetben is. Emellett a hajtáslánc kompakt, tömbszerű motorfelépítése kis külső felület–térfogat arányt biztosít, ami csökkenti a hőleadást és elősegíti a belső hő gyors felhalmozását – különösen fontos ez hidegindításkor. A szívócső és kipufogócsonk rövid kialakítású és közel helyezkedik el a motorblokkhoz, minimalizálva ezzel a hőveszteséget és gyorsítva a katalizátor felfűtését, illetve a DPF (diesel részecskeszűrő) aktiválódását. E megoldás gyorsabb emisszióciklus-elérést eredményez hideg körülmények között. A mélyre épített olajteknő jól látható a motor alsó részén: ez a konfiguráció elősegíti az olaj gyors visszafolyását még sűrű, hideg állapotban is, és mivel a karter alacsony hőközpontként funkcionál, a blokkmelegítés hamar kiterjed az egész olajtérfogatra. A narancssárga nagyfeszültségű kábelek és interfészek zárt, többrétegű csatlakozóházban futnak, amely véd a páralecsapódás, nedvesség és fagy ellen. Ezzel zárlatmentes, biztonságos működést biztosítanak extrém hideg környezetben is, egyben lehetővé teszik az előmelegítés és temperálás megbízható végrehajtását. Továbbá a hajtásláncban jól felismerhető a kettős tömegű lendkerék (DMF), amely bár nem kifejezetten fagytűrésre készült, hidegüzemben csillapítja a motorrezgéseket, és védi a hajtásláncot az indítási sokkterhelésektől. Végül a hajtáslánc erősen integrált hűtővízcsövei és szerelvényei rövidek és védettek, minimalizálva ezzel a hőveszteséget és csökkentve a fagyásból eredő meghibásodások esélyét.

Láthatjuk, a svéd és finn mérnöki kultúrában a hidegtűrés nem eseti mérlegelés, hanem alapérték. Ennek megfelelően a komponensek hőtágulási viselkedésétől kezdve az anyagválasztáson, vezérléstechnológián és redundancián át a teljes rendszerfilozófiára kiterjed a hatása. Az olyan technikai megoldások, mint a hőszigetelt/fűtött tüzelőanyagszűrők, az automatikus előizzítási ciklusok, az előmelegített hengerblokk vagy a fűthető szelepházak, mind egyetlen cél érdekében születnek: hogy a motor akkor is elinduljon és üzemszerűen működjön, amikor más rendszerek már működésképtelenek lennének. Az indítási karakterisztikát, az előmelegítő rendszerek teljesítményét, a kenési és befecskendezési térkép hőmérsékletfüggő görbéit, valamint az anyagválasztást is ennek rendelik alá.

Ezek a tényezők csak együtt kezelhetők hatékonyan, ezért a skandináv motorgyártók a hidegtűrésre nem szigetelt problémaként, hanem komplett rendszeroptimalizációs kihívásként tekintenek.

És a végén: az összehasonlítás.

Fagytűrés szempontjából az eddig tárgyalt iskolák közül, csak az orosz iskolával tudjuk megtenni a szemléletes összehasonlítást, amivel a következőképpen zárhatjuk skandináviai utazásunkat:

Míg az orosz iskola a hideget a rendszer szerves részeként kezeli, nem legyőzendő akadályként, tervezési filozófiájában az elsődleges szempont a masszív mechanikai tartalékok, a minimális függés az elektronikától, valamint a faggyal szembeni fizikai ellenállás – például vaskos öntvények, olajmelegítők, kézi előizzítás, redundáns rendszerek és szándékosan túlméretezett alkatrészek révén. Ezzel szemben a skandináv mérnöki iskola nem elfogadja a fagyot, hanem aktívan szabályozni kívánja: kifinomult temperálási rendszerekkel, gyorsan felfutó elektromos fűtőmodulokkal, hőmenedzsmentet támogató szoftverrel, alacsony viszkozitású olajokkal és külön temperált hibrid-elemekkel gondoskodik arról, hogy a hajtáslánc már az első másodpercekben is teljes értékűen működjön.

Forrás: engine.od.ua/sisu-valmet, trucknews.com, heavyequipmentguide.ca, motorstar.es