Motorépítő iskolák 6. – A brazil vonal

Ugyan mit gyártanak a brazilok? – kérdezi a laikus és olykor a még kevésbé laikus beszélgetőpartner is a téma egyes irányzatairól beszélgetve. A brazil motorinnovációk sora igaz licenc alapon, de erős belső módosításokkal honosodik meg az ország autóséletében – ugyanis a brazil autózás 70%-a etanol alapon történik. Hogy is van ez? Ennek járunk utána.

Az olajválság indította, de…

Brazília etanolalapú autózása nem csupán energiapolitikai válasz volt az 1970-es évek globális olajválságaira, hanem egy komplex, több ágazatot összekapcsoló technológiai-gazdasági rendszer kiépítése, amely mára a világ egyik legsikeresebb megújuló közlekedési modelljévé vált. Az úgynevezett Proálcool program (Programa Nacional do Álcool) 1975-ben indult azzal a céllal, hogy csökkentse az ország kőolajimport-függőségét, miközben belföldi cukornád-alapú biotüzelőanyag termelésére alapozva munkahelyeket teremtett, agráripart fejlesztett, és fokozatosan zöldíti a közlekedési ágazatot.

Brazíliában található a világ cukornád-ültetvényeinek körülbelül 40%-a, ezzel az ország a globális cukornádtermesztés messze legnagyobb szereplője. Brazília évente mintegy 700–750 millió tonna cukornádat termel, miközben a világ teljes cukornádtermelése a 2023–2024-es becslések szerint körülbelül 1,8 milliárd tonnára tehető. Az országban termesztett cukornád jelentős részét – körülbelül a felét – nem cukorgyártásra, hanem bioetanol előállítására használják fel, elsősorban a flex-fuel (benzinnel és etanollal is üzemelő) gépjárművek tüzelőanyag-ellátására. A legnagyobb cukornád-termesztő régió Brazíliában São Paulo állam, ahol különösen koncentráltan működnek a nagy bioetanol-üzemek is.

Ennek a hatalmas kapacitásnak a kiaknázására a brazil kormány a Proálcool-program keretében három fő beavatkozási eszközt alkalmazott: adminisztratív ármechanizmusokat, infrastrukturális támogatást, valamint pénzügyi ösztönzőket az etanol- és autógyártók részére. Az állam hosszú távú garanciát vállalt az etanol felvásárlására a Petrobras olajvállalaton keresztül, miközben szabályozta a benzin és etanol fogyasztói árát is, hogy az utóbbi folyamatosan versenyképes maradjon. Emellett hitelkedvezményeket kaptak azok a gyártók, amelyek dedikált etanolmotorokat fejlesztettek, illetve később – a 2000-es évek elejétől – a „flex-fuel” rendszerű erőforrásokat fejlesztették.

Mit kell tudni az etanolról? 85%ban tiszta a történet!

Az etanol cukornádból, kukoricából vagy lignocellulózból fermentációval (erjesztéssel) és desztillációval (lepárlással) állítható elő. Ennek köszönhetően a teljes folyamat (well-to-wheel – magyarul: „a kútól a kerékig”) szén-dioxid-egyenlege potenciálisan semleges lehet, feltéve, hogy a mezőgazdasági és ipari feldolgozási folyamatok is energiahatékonyak.

Az etanol (C₂H₅OH) tüzelőanyagként alacsonyabb fűtőértékkel rendelkezik (26,8 MJ/kg), mint a benzin (~43 MJ/kg), ezért azonos energiatartalomhoz mintegy 30%-kal több szükséges. Sűrűsége 0,789 kg/l, térfogati fűtőértéke 21,1 MJ/l. A sztöchiometrikus tüzelőanyag-levegő aránya (AFR – Air–Fuel Ratio) 1:9,0–9,2, szemben a benzin 1:14,7 értékével, tehát etanolból dúsabb keverék szükséges. A lambda (λ) érték, amely a tényleges és sztöchiometrikus AFR hányadosa, kulcsszerepet játszik az égésszabályozásban valamennyi belső égésű motornál, természetesen értéke az alkalmazott tüzelőanyagtól függően más és más.

Az etanol egyik jelentős előnye, hogy rendkívül magas az oktánszáma: kutatási oktánszáma (RON – Research Octane Number) 108, míg motorokánszáma (MON – Motor Octane Number) 89. Ez kiváló kopogásállóságot biztosít, így lehetővé teszi a magas kompresszióviszonyú motorok alkalmazását (akár 12:1–14:1 arányban), ezáltal növelve a termikus hatásfokot. Az elérhető égéshő 1920–1970 °C, amely összevethető a benzin égéshőmérsékletével. Az etanol lángterjedési sebessége magasabb, ami gyorsabb és stabilabb égést eredményez, ugyanakkor nagyobb precizitást követel a gyújtásidőzítés szabályozásában.

Kiemelkedően magas párolgáshője (840 kJ/kg) jelentős hűtőhatást fejt ki a szívott levegőre az égéstérben, ez a hűtés növeli a töltési sűrűséget és az égési stabilitást és kedvezően hat a teljesítményre. Ugyanakkor alacsony hőmérsékleten hidegindítási problémákat okozhat, mivel alacsony hőmérsékleten gyengén párolog. Ennek kompenzálására korábbi típusokban külön indító tüzelőanyagot (általában benzint) alkalmaznak tiszta etanol (E100) vagy nagy etanoltartalmú keverékek (pl. E85 – 85% etanol, 15% benzin) alkalmazása esetén.

A motorral kapcsolatos anyagtechnológiai követelmények szempontjából az etanol kémiailag agresszívebb kemikália, mint a benzin, így bizonyos tömítések (pl. nitril-gumi), műanyagok és fémötvözetek (pl. alumínium, réz) korróziónak, duzzadásnak vagy anyagfáradásnak lehetnek kitéve. Ez különösen fontos szempont akkor, ha a motor nem kifejezetten etanol üzemre lett tervezve. A Flex-fuel rendszerekben (szabad magyar fordításban: rugalmas tüzelőanyaggal működő rendszer) a motorvezérlő egységnek (ECU – Engine Control Unit) képesnek kell lennie az aktuális etanol–benzin arány (E0–E100) valós idejű felismerésére, amelyhez gyakran külön etanolszenzort (fuel composition sensor) is alkalmaznak.

A kipufogógáz-összetétel szempontjából az etanol üzem csavarosabb képet kínál: a benzinmotoros katalizátor etanolhoz azért nem elég hatékony, mert az etanol égése több oxigént és aldehidet (félig oxidált alkholol, ami szűrós szagú és karciogén) termel, ami gyengíti a NOₓ-redukciót és túlterheli az oxidációs szakaszt. Emellett az etanol nagy párolgáshője miatt a kipufogógáz hidegebb, így a katalizátor lassabban éri el az üzemi hőmérsékletét, főleg hidegindítás után. Ez összességében magasabb károsanyag-kibocsátást eredményez, amit csak etanolhoz optimalizált katalizátor tud hatékonyan kezelni. Az etanolhoz megfelelő katalizátor szintén háromutas rendszer, de a benzin üzemű rendszerek megszokott változataihoz képest gyorsabban felfűthető, jobban tolerálja az oxigéndús kipufogógázt, és hatékonyan oxidálja az aldehideket és alkoholmaradványokat. Speciálisan kialakított nemesfém-összetétellel (például platina, palládium, ruténium arányainak optimalizálásával) és módosított vázszerkezetű hordozóval rendelkezik, amely nagy felületet és kedvező reakció sebességet biztosít az aldehidek és egyéb égéstermékek hatékony átalakításához. A katalizátort a kipufogócsonkhoz közelebb helyezik el, hőszigeteléssel ellátva, hogy minimalizálják a felfűtési időt. E technológiai megoldások együttesen lehetővé teszik az etanol-alapú tüzelőanyagokkal üzemelő motorok számára a szigorú emissziós normák teljesítését.

Versenysportban – különösen gyorsulási és rally versenyeken – az etanol előszeretettel használt tüzelőanyag, mivel magas oktánszáma lehetővé teszi az extrém kompresszióviszonyok alkalmazását. Tűzvédelmi szempontból az etanol gyulladáspontja alacsony (~13 °C), de robbanásveszélye kisebb, mint a benziné, ugyanakkor tárolása és kezelése fokozott figyelmet igényel.

A flex-fuel rendszer(ek) lényege, hogy a belső égésű motor képes párhuzamosan benzin, etanol vagy bármilyen a tervezők által megválasztott tüzelőanyag használatával üzemelni. A szükséges tüzelőanyag-levegő arányt a rendszer a lambda-szenzorok visszacsatolása alapján állítja az ECU egy Sofware Fuel Sensor (SFS) algoritmus segítségével. Az etanol magas oktánszáma magasabb kompresszióviszonyt tesz lehetővé, job indikált hatásfokot biztosít, különösen, ha a folyamatra még változó szelepvezérléssel (VVT) is rásegítenek. A fejlesztések között már megjelentek a közvetlen befecskendezésű turbófeltöltött E100-optimalizált rendszerek is – pl. VW EA211, Fiat FireFly motorcsalád keretein belül. A kezdeti hidegindítási problémák benzin befecskendezéssel történő rásegítését követően ma már fűtött befecskendezők, előmelegítés, valamint ECU vezérelt előgyújtás menedzsment oldja meg a hidegindítási feladatot is.

A 2020-as évekre a brazil új autópiacon a flex-fuel technológia dominánssá vált: az új járművek több mint 92%-a ilyen rendszert használ, és a teljes járműállomány jelentős hányada is flexibilis tüzelőanyag-ellátású. Ugyanezen időszakban a benzinkutakon eladott teljes tüzelőanyag mennyiség körülbelül 52%-a etanol. A korábbi brazíl szabályozás szerint a kereskedelmi forgalomba kerülő benzin legalább 27% anhidrált etanolt (E27) kell hogy tartalmazzon, és a szakmai tervek szerint 2025-re (ezévre) ezt az arányt E30-ra kellett emelniük a gyártóknak.

Láthatjuk, az etanolnál sem minden mindegy, kihívások bőven vannak, “ingyen ebéd nincs sehol” tartja a mondás – és valóban idáig találkoztunk előmelegítéssel, módosult befecskendezési karakterisztikákkal, illetve újragondolt katalizátor követleményekkel, nade hogyan oldották meg ezeket a különféle gyártók és fejlesztők:

Fiat Fiasa Flex motor

A FIAT FIASA motor bevezetésének előzményei szorosan összefonódtak Brazília 1980-as évekbeli gazdasági és energetikai kihívásaival. A világméretű olajválságok után Brazília célja az volt, hogy csökkentse külföldi kőolajfüggőségét, és kihasználja cukornád-alapú bioetanol termelésének potenciálját. A FIAT do Brasil válasza erre a helyzetre egy egyszerű, gyors és megbízható jelölt volt, amelyet kifejezetten a brazil körülményekhez – olcsó karbantarthatóság, gyenge minőségű utak, alacsony oktánszámú tüzelőanyag, szélsőséges hőmérsékletek – igazítottak. A FIASA blokkot eredetileg 1.3 és 1.5 literes változatban használták, majd az 1990-es évektől az 1.0 literes „motor popular” verzióval vált igazán tömegtermékké. A 2000-es évek elejére ez a konstrukció már alkalmas volt a Fiat Uno Mille modellek részleges vagy teljes flex-fuel konverziójára, így a FIASA motor lett az egyik első tömeggyártású, olcsóbb kategóriás erőforrás, amely képes volt az etanolüzemű mobilitás kiszolgálására.

A képen a FIAT FIASA motorcsalád egyik klasszikus MPI (multi-point injection) konfigu-rációja látható, amely Brazíliában vált széles körben elterjedtté a Fiat Uno Mille és Palio modellekben, különösen az etanolüzemű vagy flex-fuel kivitelekben. A motortér több eleme – köztük a kék tüzelőanyag-cső, a hidegindító-rendszerhez tartozó szelepegység mutatja az etanol útját. A konstrukció alapját egy öntöttvas motorblokk képezi, amely a nagy fajlagos hőtartás révén kiválóan kezeli az etanol hidegindításkor jelentkező, fokozott hőelvonó hatását. Ez kulcsfontosságú, mivel az etanol párolgási hője jóval magasabb, mint a benziné, így a hősta-bilitás döntően befolyásolja a keverékképzést és az indíthatóságot. A motor SOHC szelepvezérlést alkalmaz, amely egyszerű, tartós és költséghatékony, bár a modern VVT rend-szerek finomabb karakterisztikáját nem éri el. Az MPI befecskendezőrendszer az etanolüzem-hez optimalizált – az alacsonyabb energiasűrűség miatt megnövelt térfogatáramot igényel, amit módosított injektorokkal és átparaméterezett ECU-térképpel érnek el. Mivel az etanol hide-gindítása külön kihívás, a képen azonosítható egy különálló hidegindító befecskendezőszelep, vala-mint egy kiegészítő tartály, amelyek a tiszta etanollal (E100) működő rendszerek jellemzői. Ezeket a megoldásokat az újabb típusoknál már fűtött injektorok és Software Fuel Sensor (SFS) algoritmus váltotta fel. A szívócső kialakítása hosszú és ívelt, ezzel optimalizálva a nyoma-tékot alsó fordulatszám-tartományban. Az alumínium szívócsonk gyors hőleadása elősegíti az tüzelőanyagpárolgást, ami különösen hasznos az etanol hőérzékeny viselkedése miatt. A kom-presszióviszony tipikusan 11:1–12:1, amit az etanol magasabb oktánszáma tesz lehetővé. A motorvezérlő egység (ECU) a tűzfalon jól látható. A korszerűbb verziók esetében a lambda-szonda jele alapján adaptív tüzelőanyagkeverék-szabályozás is elérhető, amely valós időben korrigálja a befecskendezést és a gyújtást az tüzelőanyag összetételének megfelelően. A tüzelőanyag-ellátó rendszer minden eleme – csövek, tömítések, injektorok – etanolálló anyagból készül, gyakran fluorozott elasztomerből vagy rozsdamentes acélból. Ezek az anyagok képesek ellenállni az etanol korrozív és szárító hatásainak, ami elengedhetetlen a hosszú távú üzembiztonsághoz.

VW EA111 1,6 l Total Flex

A Volkswagen EA111 1.6 l Total Flex motor a brazíliai flex-fuel technológia egyik legmeghatározóbb és legsikeresebb példája, amelyet a VW do Brasil mérnökei kifejezetten az E20–E100 közötti etanol-benzin keverékekhez optimalizáltak. Az erőforrás teljes mértékben adaptív vezérléssel működik: a lambda-szonda jelei alapján az ECU valós időben azonosítja a tüzelőanyag aktuális etanolarányát, és ehhez igazítja a befecskendezett mennyiséget, a gyújtási időzítést, valamint a keverékképzést.

A motor főbb szerkezeti egységei – mint az öntöttvas blokk, az alumínium hengerfej, valamint az MPI befecskendezés – robusztus, etanolálló kialakítással rendelkeznek, beleértve az FKM (Viton) tömítéseket, rozsdamentes acél üzemanyagcsatlakozókat és fluorozott, korrózióálló burkolatokat. A zöld injektorcsatlakozók vizuálisan is megkülönböztetik ezt a típust, mivel ezek a brazíl szabvány szerinti etanolkompatibilis injektorok ismertetőjegyei. Az injektorok nagyobb áteresztőképessége lehetővé teszi, hogy a motor kompenzálja az etanol alacsonyabb energiasűrűségét – amely mintegy 30–35%-kal alacsonyabb, mint a benziné –, így teljesítményveszteség nélkül képes működni tiszta etanollal is. A gyújtásvezérlés automatikusan kompenzálja az etanol alacsonyabb lángterjedési sebessége miatti égési késedelmet, optimalizálva az előgyújtást, míg a kompresszióviszony – jellemzően 11,5:1 és 12,5:1 között – kihasználja az etanol magas (108–109 RON) oktánszámát, így javítva a motor termodinamikai hatásfokát, különösen közepes terhelés mellett. A teljes tüzelőanyag-ellátó rendszer – a tartálytól az injektorokig – etanolkompatibilis: polimer csövek, korrózióálló csatlakozások, valamint az etanol kémiai agresszivitásának ellenálló szelep- és tömítésanyagok biztosítják a hosszú távú megbízhatóságot. A vizuális azonosítást segíti még a portugál nyelvű figyelmeztetés („ABASTEÇA DEVAGAR COM ATENÇÃO”) a fehér színű hűtőfolyadék-tartályon, valamint a jellegzetes – hővédő lemez nélküli – kipufogócsonk-kialakítás, az egyrészes, de karbantartásbarát tagolt szelepfedél és a speciális fékfolyadék- és hűtőfolyadéktartály-elrendezés. Az SFS (Software Fuel Sensor) algoritmus lehetővé teszi, hogy a motor bármilyen benzin–etanol arány esetén beavatkozás nélkül adaptálódjon, míg a korai típusok még rendelkeztek külön hidegindító benzintartállyal, a későbbi változatok azonban már hőmenedzsment-alapú megoldásokat és előmelegítő injektorokat alkalmaznak. Az EA111 Total Flex motor 2003-tól jelent meg a brazil piacon a VW Gol 1.6 modellben, majd később a Fox, Polo, Voyage, Kombi és Golf típusokban is használták. Az erőforrás 76 LE teljesítményt nyújt etanollal és 72 LE-t benzinnel, maximális forgatónyomatéka 104 Nm 3850 fordulat/percnél, ami kiváló karakterisztikát biztosít városi és országúti használat során egyaránt. Az EA111 Total Flex tehát nemcsak mérnöki szempontból jelent figyelemre méltó technológiai megoldást, hanem a brazíliai piaci igényekre adott gazdaságos, tartós és szervizelhető válaszként is a VW egyik legismertebb motorcsaládjává vált.

Chevrolet SPE/4 Flex‑Fuel

A sor végén nem maradhat ki az – eredetileg - északi kontinensrészről érkezett Chevrolet SPE/4 alapmotorra brazíliában fejlesztett Flex‑Fuel aggregát sem, mely 1.0 és 1.4 literes, soros négyhengeres, 8 szelepes, SOHC MPI konstrukció – kifejezetten az etanol és benzin bármilyen arányú keverékével való működésre készült, akár E20-tól E100-ig. A 12,3–12,4:1 közötti kompresszióarány révén az etanol magasabb oktánszáma jobban kihasználható, így etanollal akár 8–9%-kal nagyobb teljesítmény és 7–8%-kal magasabb nyomaték érhető el (1.4-es verzióval akár 106 LE és 136 Nm is). A rendszer különlegessége a „System Zero” adaptív szabályzás, amely real-time lambda-szondás érzékelés alapján szabályozza az égést, ezáltal nincs szükség külön benzintartályra a hidegindításhoz – ellentétben a korábbi Fiat FIASA vagy VW TotalFlex rendszerekkel. A tüzelőanyag-rendszer összes eleme fluorozott etanolálló gumiból, korrózióálló anyagokból készült, a blokk súrlódáscsökkentő és zajoptimalizált kialakítású. A GM ezzel a konstrukcióval a brazil piac egyik legfejlettebb, kompromisszummentes, teljes spektrumú flex-fuel platformját alkotta meg, túllépve a korábbi generációk technológiai korlátain.

Flex befecskendező rendszerek

Etanolos befecskendező rendszerek tekintetében szintén jelen vannak a nagy gyártói nevek. Hely szűkében két példát hozunk és az azok közötti különbséget tárgyaljuk. A Bosch és Marelli (SFS) etanol‑befecskendező rendszerek fő különbsége az etanol felismerésének módjában és a hidegindítási stratégiákban rejlik. A Bosch dedikált etanol‑összetétel‑szenzorral dolgozik, amely közvetlen méréssel határozza meg az alkohol/gázolaj arányt, jelezve az ECU‑nak – a rendszer folyamatos, valós idejű érzékelőt használ, ami rendkívül gyors és pontos reagálást tesz lehetővé. A hidegindítási fázisban ez a rendszer általában fűthető injektor-sínt használ, így a sűrítési arány egész tartományában megbízható működést biztosít. Ezáltal a Bosch rendszer magasabb költségű, de kiemelkedően rugalmas.

A Marelli SFS szoftveres felismerést alkalmaz – a lambda‑szonda adatainak feldolgozásával az ECU becsüli az etanol arányát, nem kell hozzá külön szenzor. Ez a megoldás költséghatékonyabb, közepes reagálási idővel (némi késleltetés), viszont lehetővé válik a különböző hidegindítási stratégiák integrálása (pl. Pico Eco, szoftveres vezérlés). A költség / rugalmasság aránya kifogásolható, de OEM eszközöknél elfogadott (pl. VW, Fiat).

A brazil flex-fuel motorizáció záró értékeléseként kijelenthető, hogy az ország nem csupán tüzelőanyag-politikai szükséghelyzetekre adott válaszként nyúlt az etanolhoz, hanem fokozatosan, ágazatközi integrációval egy teljesen új hajtáslánc- és motorfejlesztési iskolát teremtett, amely mára globális szinten is modellértékű. A Fiat FIASA, a VW EA111 és a Chevrolet SPE/4 Flex példák azt mutatják, hogy a gyártók nem pusztán módosították meglévő belső égésű motorjaikat, hanem mélyreható anyag-, tribológiai, befecskendezés-technológiai és égéstani adaptációkat végeztek – beleértve az injektor karakterisztikák optimalizálását, az ECU valós idejű stratégiáinak újratervezését, a hidegindítási hőháztartás kezelési elveit, valamint a tüzelőanyagok dinamikus kompozíció-felismerését (dedikált szenzorral vagy lambda-alapú szoftverrel). Mindemellett a Bosch, Marelli és Delphi rendszerek különböző technológiai válaszai – szenzoros, szoftveralapú, illetve hibrid elveken alapuló – azt is demonstrálják, hogy az etanoltechnológia nem egységes.

Forrás: sae.org., iea-amf.org, Autos & Motores (br.), volkswagen.abraoreze.com.br,
https://www.researchgate.net/publication/224182878_The_evolution_of_flex-fuel_technology_in_Brazil_The_Bosch_case
https://www.academia.edu/76818364/Evolution_of_Flex_Fuel_Technology_A_Case_Study_on_Volkswagen_Brazil