Nemzetközi CO₂ verseny
Fürstenfeld

Mit kell tudni a szénsavmotorról?
3. folytatás.

A motor jellemző adatai: A CO₂ motor kialakítása legjobban talán az ismert robbanómotorhoz hasonlít. Ugyanúgy van hengere, hajtókaros dugattyúja, forgattyú-tengelye, stb. Ennek megfelelően kezdetben a technikai jellemző adatok is a belső égésűeknél megszokott formában jelentek meg. A két legfontosabb paraméter a teljesítmény és a fordulatszám volt. Mivel a teljesítmény a fordulatszám és a nyomaték szorzatával arányos, ezért a méréseknél néha a fordulatszám függvényében a nyomatékot is ábrázolták. Ilyen mérést mutat az angol TELCO motor:

A régebbi technikai mértékrendszerben a teljesítmény alapfogalmának megfelelően a mértékegységet az időegység alatt végzett mechanikai munka adta, ami méterkilogram per másodperc volt, jelölve: “mkg/mp”. Mivel az iparban kialakult erőgépek viszonylag nagy teljesítményűek voltak, ezért az alapegység 75-szörösét használták és azt “lóerő”-nek nevezték. Tehát 1 LE=75 mkg/mp. Ezeket ma is használják, pl. gépkocsi motoroknál.

Az új nemzetközi SI mértékrendszerben a mechanikai munka illetve az energia mértékegysége a “joule” így az SI rendszerben a teljesítményt “joule/mp.” Adja, amit másképpen “watt”-nak neveznek, a 19. századi gőzgépfejlesztésben nagy érdemeket szerzett angol mérnök, James WATT után. Mivel a hő is az energia egyik formája, a “joule” egyben a hőenergia-egysége is. Ezen új SI mértékrendszerben az erő egysége a “Newton”, amely kb. 0,1 kg, = kb. 100gr, így a “joule” akkora munkát jelent, amit akkor végzünk, ha valamely tömeget 1 Newton erővel 1 méter távolságra mozgatunk el. (1 joule = 1 Newton x 1 méter)

Híradónk régebbi számaiban megemlékeztünk arról, hogy a modellmotorok “atyja” az amerikai Bill BROWN alkotta meg 1942-ben az első használható és tömeggyártásra alkalmas CO₂ motor őspéldányát is. Ez a motorfajta Európában csak a 70-es években indult hódító útjára az Angliában gyártott TELCO típusú motorral, ennek mérete A 4,5 x 3,8 mm volt, tehát rövidlöketű, a hengertérfogat 60 mm3-e mellett. Az ismert angol modellező szaklap, az AEROMODELLER 1958 februári számában jelent meg az első tudományos jellegű ismertetés e motorról és itt közöltek olyan diagrammot amelynél a teljesítményt lóerőben adták meg a fordulatszám függvényében. Ugyanitt szerepelt még a nyomaték is.

A gyakorlatban kiderült hogy a motor használhatóságának kifejezésére e paraméterek nem megfelelőek. Modellrepülés szempontjából az a döntő hogy egy CO₂ motorral milyen hosszú ideig lehet repülni. Ezen alapelvből kiindulva a későbbi CO₂ motorok vizsgálói azt mérték, hogy a gyári tartállyal mennyi ideig forog a hajtómű. Itt azonban világos, hogy a futási időt két tényező befolyásolja döntően: a forgatandó légcsavar nagysága és az indításkor beállított fordulatszám. Nagy légcsavarral és kis fordulatszámmal igen hosszú ideig foroghat a motor, de az itt leadott teljesítmény általában már nem elegendő.

Azt viszont már repülési kísérlettel ki lehetett mérni, hogy az adott légcsavarral mekkora az a legkisebb fordulatszám, amellyel a modell még a levegőben marad. Ha a futási diagrammot ilyen fordulatszám környékén vették fel, akkor ez már jó adatot adott arra, hogy milyen hosszú repülésre lehet számítani álló levegőben.

Ilyen mérésnél fontos lett volna az, hogy a motor lehetőleg hosszú ideig változatlan fordulatszámmal forogjon. E feltételeknek azonban a CO₂ motor általában nem felelt meg, működés közben a fordulatszám erősen változhat. Ennek oka az, hogy a motor nagyon változó hőmérsékleti viszonyok között dolgozik. Az itt említett fordulatszám-idő diagrammok görbéi változatos formákat mutattak. Elméletileg a tartályban a kezdeti hőmérsékletnek megfelelő nyomás uralkodik, amely meghatározott fordulatszámot ad. Járás során azonban - mint cikksorozatunk első része ismertette - a folyadék-párolgás következtében a tank lehűl, a hőmérséklettel együtt a nyomás is, tehát a fordulatszám is csökken. Ezzel szemben egyes motortípusoknál, ahol a dugattyúval együtt a tetején lévő szelepemelő tüske is műanyagból van, a fordulatszám csak a járás elején mutat csökkenő tendenciát, a járás vége felé a leállásig jelentősen nő. Ilyen diagrammokat mutat az ábra.

Jómagam fizikai feltételekből indultam ki. Ezek szerint adott a tankméret (régebben 5 cm³, ma 3 cm³) és az ezekbe betölthető szénsav mennyisége is (kb. 3 g, erősen lehűtve 3,2 - 3,3 g.) Ebből kell a lehető legtöbb mechanikai energiát kihozni. Ennek meghatározására alkalmas kifejezés az 1 g. szénsavból nyerhető energia, azaz joule/g, amit diagrammokon “E” betűvel jelöltünk.

Nyilvánvalóan az a motor jobb, amelyik 1 g. szénsavból a legtöbb energiát állítja elő. Ez lenne az alapja a szénsavmotorok összehasonlíthatóságának. Itt némi hasonlóság fedezhető fel a gumimotorral, ahol ugyancsak adott a rendelkezésre álló összes “üzemanyag”, ez a gumimotor súlya, és ebből kell a legtöbb vontatási energiát kihozni. Az 1930-as években, modellező pályafutásom kezdetén ennek értéke már ismert volt, annakidején 1 kg. Gumiból kb. 5-600 mkg munkát lehetett nyerni. Mára ez az érték a gumi minőségének javításával már meghaladja az 1.000 mkg/kg ami kb. 10 joule/g-nak felel meg.

Ugyanezen megfontolás szerint a CO₂ motornál nyerhető szénsavenergiának is van felső határa, ez itt az expanzió mértékétől függ elsősorban, amelynek technikai határa jelenleg kb. 6 - 7:1 viszony. Ezzel a termodinamika szerint maximálisan 65 - 70 joule/g elméleti felső határ adódik.

Többéves vizsgálódás során kiderült hogy a motor által kihozható energia mennyisége erősen függ a teljesítménytől is, mégpedig úgy hogy a motor által kihozható mennyisége erősen függ a teljesítménytől is, mégpedig úgy, hogy ha a motor erősebben “lefojtva” kisebb teljesítményt ad le, akkor a fajlagos energia is csökken. Műszaki meggondolás alapján rá lehetett jönni arra, hogy a motornál kiadódó energia mennyiségét a motor belső ellenállása, tehát a “súrlódás” csökkenti, és ezért nem lehet a motorból az elméleti mechanikai munka maximumát kihozni. Ez a jelenség minden technikai erőgépnél hasonló és ezért már a technika őskorában gépeink hatásosságát egy újabb fogalommal fejezték ki, ez volt a “hatásfok”. Alapelve az, hogy a technikában általában energiát csak valamilyen másfajta, a természetben rendelkezésre álló energiából lehet átalakítani, a semmiből előállítani nem.

A természeti energiák messze túlnyomó részben a napsugárzás révén kapjuk, ugyanis a mai szóval kifejezett “energiahordozók” legtöbb fajtája, mint a szén, gáz, olaj, víz-energia mind a napenergiából keletkezett. A hatásfok azt jelenti, hogy az erőgépbe betáplált energiának hányad részét kapjuk meg a kívánt formában. Erőgépeink ősénél, a gőzgépnél a kazánba hőenergiát tápláltunk, (szenet, olajat égettünk) és ennek fejében a gép főtengelyén mechanikai energiát nyertünk. Mivel minden gép veszteséggel dolgozik, a kapott energia mindig kevesebb, mint a betáplált. A hatásfok így sohasem lehet 100%, mindig kevesebb.

A szénsavban lévő energiát többszörös átalakítás után tudjuk a modell repítésében értékesíteni, de minden átalakításnál veszteséggel. Az első a termodinamikai hatásfokkal csökken, ahol az 1 g. szénsavban lévő összesen kb. 400-450 joule-ból legfeljebb 70 joule lenne elméletileg kinyerhető, ami 70:450 = 15,5% illetve 70:400 = 17,5%, tehát átlagosan kb. 16,5%. Motorunk átlagos hatásfoka a MODELA esetében kb. 45-50%, így a 70 joule/g-ból marad 70x0,45, vagy 0,5 = 31,5, illetve 35 j/g. Ha ezt a Modela légcsavarral használjuk repítésre, akkor annak kb. 50%-os hatásfokával a tényleges repülésre már csak max. 35x0,5 = 17,5 j/g jut. E teljes energia rendszer hatásfoka így 17,5:425 = kb. 4%, ami igen gyatrának tűnik, de vigasztalásul megemlíthető hogy a múlt század elején kialakított első gőzgép hatásfoka is csak kb. 2-3% volt.

A szénsavmotoroknál az energiaátalakítás legnagyobb veszteségét a mozgó alkatrészek súrlódása okozza. A súrlódás csökkentésével tehát javítani lehet a motor mechanikai hatásfokát. Erre raffinált technikai lehetőségek adódnak, ilyenek pl. a forgó alkatrészek golyóscsapágyazása, és a legnagyobb belső súrlódást jelentő dugattyú különleges szerkezeti kialakítása. Mindezek segítségével a legújabb technikai fejlődés során el lehetett érni 80-85%-ot is. (GMW-73)

A CO₂ motorokkal végzett több ezer mérés során gyakorlatban bebizonyosodott hogy a termelt fajlagos energia erősen függ az átlagos teljesítménytől, amit “Watt”-ban mérünk. Mivel a motor működésénél a veszteséget főként a mozgó alkatrészek súrlódása okozza, a hatásfok kialakulásánál az is döntő, hogy a súrlódás milyen arányban van a termelt energiával. A mi kis erőgépünknél s súrlódás állandónak tekinthető, azaz változatlan, akár nagy, akár kis teljesítményt szolgáltat a motor. Kis teljesítmény esetén a termelt összes mechanikai munkához képest a súrlódási veszteség viszonylag nagyobb, amihez hozzájárul az a körülmény is, hogy a kisebb teljesítmény beállítása a fejszelep emelésével oldható meg, azaz a szelepgolyót a dugattyú kevésbé emeli, ami nagyobb “fojtást” eredményez, ez termodinamikai veszteség-növekedést jelent.

Nagyobb leadott teljesítmény esetén ugyanakkora súrlódási és kisebb fojtási veszteséggel szemben relatíve nagyobb lesz a tengelyen kapható energia. Mindezen jelenségek azt eredményezik, hogy a CO₂ motor kis teljesítménynél - tehát lassabb fordulatszámnál - gazdaságtalanabbul dolgozik.

Ha nem lenne súrlódási veszteség, akkor a CO₂ motor a fojtási, kisebb mértékű veszteségtől eltekintve bármilyen fordulatszámnál azonos fajlagos energiát szolgáltatna és a teljesítmény függvényéven kifejezett energia a jellemző diagrammban a függvény (E = f/N_w) egy vízszintes vonalat (asymptota) adna.

Mivel azonban a gyakorlatban kisebb teljesítménynél nagyobb a viszonylagos súrlódási veszteség, ezért a tengelyen leadott fajlagos munka értéke is csökken. A teljesítmény növekedésekor pedig a termelt energia az elméletileg nyerhető maximum értéket jelző vízszintes egyenest aszimptotikusan közelíti meg. Nagy belső súrlódás erősebben eső jelleggörbét ad, így az a motor jobb, amelyiknél a jelleggörbe legjobban megközelíti a felső vízszintes egyenest. Ebből az is világos hogy a termelt energia erősen függ a pillanatnyi teljesítménytől. Mivel a mai F1K modelleknél a 75 g. önsúly és 12 dm2 felület esetén a vízszintes repüléshez kb. 0,5 watt teljesítmény szükséges, ezért célszerű a motorok összehasonlításánál a 0,5 wattnál mért fajlagos energia értékeit összehasonlítani, azaz valamely motor jellemzésére és minősítésére a 0,5 wattnál mérhető fajlagos energiát használni.

A fenti vizsgálat tehát azt is mutatja, hogy az F1K modellek meghajtására alkalmas CO2 motornak van optimális mérete. A túl kis hengerűrtartalmú motor belső súrlódása kicsi ugyan, de teljesítménye kevés, míg a nagy hengertérfogatú motor kisebb teljesítménnyel üzemeltetve rosszabb hatásfokú. Olyan motor a leggazdaságosabb, amely teljesítmény-tartományának felső részén működik, és ott ad kb. 0,5 - 0,6 wattot. Ez az optimális motortérfogat eddigi ismereteink és gyakorlati tapasztalatok szerint kb. 70 - 150 mm3 között lehet.

Az osztrák Gaggl alkalmazta eddig a legkisebb motort, ez A 3,5x4 mm-es volt, ami megfelel 38 mm3-nek. Ez a versenyeken mutatott viselkedésével bebizonyította azt, hogy a modellt csak szélcsendes időben tudja megfelelően vontatni. Közepes vagy erősebb szélben már túl gyengének bizonyult. Ennek oka az, hogy a szeles időben a különféle széllökések a modellt stabil repülési helyzetből kimozdítják és a normál repülési állapot visszanyerésére energiatöbbletre van szükség ami csekély motorteljesítmény esetén csak a gép potenciális energiájából, azaz magasságvesztéssel nyerhető. Példa lehet erre a “túlhúzott” állapotban lekapcsolt vitorlázó modell, amely bukdácsolva, többszörös hullámpályát végezve nyeri vissza normál repülési helyzetét, de közben többet veszít magasságából mint ha simán siklott volna. Minél nagyobb a levegő örvénylése, a vízszintes repülés visszanyeréséhez annál több energiára van szükség. Ez szeles időben, különösen a talajközeli repülésnél tapasztalható. Ezzel megegyező gyakorlati megfigyelés, hogy ha valamely modell indítás után, szeles időben 15-20 m-es magasságot elér, repülése megnyugszik, mert ott már nyugodtabb levegőtömegbe kerül. Mindezen jelenségek legjobban a CO2 versenyek döntőjében, az u.n. “fly-off” repítések során tapasztalhatók. A jelen szabályzat szerint itt a motort arra a minimális fordulatszámra célszerű beállítani, amelynél a szénsav-felhasználás a leggazdaságosabb. Szélcsendes időben ez a motorteljesítmény viszonylag csekély, és ha ugyanezen beállítással szeles időben történik az indítás, a motorteljesítmény már kevésnek bizonyul. A szél miatt bekövetkező bukdácsoló repülés stabilizálásához a gépnek ilyenkor már nincs elegendő magassága, ezért kell ilyen esetben a motor fordulatszámát nagyobbra állítani. Mindez természetesen érvényes a kötelező startokra is, tehát szeles időben általában célszerű a motort nagyobb fordulatszámon működtetni.

Véleményem szerint a CO2 motor jellegének, hatásosságának kifejezésére az itt ismertetett E=f(Nw) diagramm a legalkalmasabb, ez lenne a motor valódi jelleggörbéje. Ezzel pl. be lehetett bizonyítani hogy a MODELA motor jobb, mint a TELCO, mivel a cseh motor ilyen görbéje a TELCO-énál magasabban halad.

E jelleggörbe kimérése némi gyakorlatot igényel, ezt a következő folytatásban igyekszünk ismertetni. A külföldi motortervezők, tesztelők és gyárak eddig csak az egyszerű fordulatszám-idő diagrammot használták, ami csak közelítőleg ad tájékoztatást a motor jóságára, ezzel szemben az E = f(N) jelleggörbe megbízható összehasonlítást tesz lehetővé.

(folytatjuk)