CO2 hírek (5)

Dr. Benedek György

Mit kell tudni a szénsavmotorról?
(6-ik, befejező rész)

A CO2 motorok működésének eredményességére vonatkozólag az a jellemző, hogy a szénsav 1 gr-jából mennyi mechanikai energiát kaphatunk a tengelyen. Eddig közölt CO2-es cikkeinkben már emlitést nyert, hogy a fizikai tulajdonságai szerint a szénsav 1 gr-jában összesen kb. 400-450 joule energia van ugyan, de ennek legnagyobb része olyan hőenergia, mely hasznos mechanikai formára nem alakítható át. Hasonló ez a belsőégésű motorokhoz, ahol az elfogasztott üzemanyagban levő összes hőenergiának csak legfeljebb 1/4...1/5-öd részét kapjuk hasznos mechanikai formában, a többi elvész.

A fizikának tapasztalaton alapuló és némi elméleti megfontolással bizonyítható törvénye szerint a mechnaikai munka teljes egészében, 100%-ban hőenergiává alakitható, forditva viszont nem. A hőenergiából csak kisebb részében nyerhetünk mechanikait, ilyenkor a nagyobbik rész veszteséggé alakul.

A CO2 motort a szénsavgőz nyomása működteti és a versenyeknél előforduló hőmérsékletnél nálunk +5..+30° között a szénsavőznek jelentős terméeszetes nyomása van (40 ...70 bar). A munkát a gőz kitágulása végzi, dugattyut tol előre, amely hajtókarral forgatja a főtengelyt.

A szénsavban levő energia vizsgálatával a termodinamika foglalkozik és e téren jelentkező tulajdonságait többek között az ún. MOLLIER-diagramm foglalja össze. (ilyen diagrammot mutat Hiradónk 1994/3 számának egy cikke.) Ebből leolvasható az a mechanikai energiamennyiség, melyet a gőz expanziója révén lehet kinyerni. Ez akkor lehetne a legnagyobb, ha a kezdő 40...70 bar nyomást 1 bar-ig lehetne expandáltatni. Ez összesen kb. 130 joule/gr lenne.

Gyakorlati okokból ez igy nem valósitható meg, ezért ez a teljes mechanikai energia-tartalom csak elméleti érték. Az egyik ok az, hogy motorunk fordulatszámának változtathatónak kell lennie, ez pedig legegyszerübben a hengerbe történő szénsavgőz nyomásának változtatásával érhető el. Gyakorlatilag ez fojtással valósul meg. A henger kifelé csavarásakor a dugattyutüske a szelepgolyót egyre kevésbé emeli meg, ilyenkor a szelepüléshez képest keletkező átáramlási rés egyre kisebb lesz, ez "fojtja" a szénsavgőz átáramlását. Ezzel csökken ugyan a nyomás, de a nyomásesésnél jelentkező energia elvész. Gyakorlatban a CO2 motor hengerében üzemközben kb 15, max 20 bar nyomás van. Ha a tartálynyomás pl. 50 bar, akkor ezt 20 barra csökkentse a 30 bar nyomáskülönbség miatti energia-különbség elvész.

Fizikai törvény szerint a fojtás vissza nem nyerhető veszteség árán keletkezik. De még ezt a megmaradt 20 bar-t sem lehet 1 bar-ig expandáltatni. Motorunk mechanikai rendszere olyan, hogy az elhasználódott gőz csak akkor tud a hengerből eltávozni, ha nyomása nagyobb, mint a külső légköré. A dugattyu alsó holtpontja környékén a kipuffogó furatok kinyitásakor a hengerben még legalább 2...3 bar nyomást kell legyen. Igy csak annyi mechanikai munkát kaphatunk, amennyit a szénsavgőz 20-ról 3 bar-ig történő expanziója tud ha a kezdő gőzhőmérséklet 0o és végső, kiáramlási kb. 64°C.

A valóságban ennél is kevesebbet kapunk a motor tengelyén, mert energia-átalakító szerkezetünknek még belső surlódása is van és a végső érték gyakorlatilag csak kb. max. 40-60 joule/gr lesz. Ennél többet legfeljebb igen kedvező technikai körülmények között, ideális laborméréseknél lehetett elérni, terepen nem. Azt is tudjuk, hogy a tank üzemközben mindig jóval hidegebb, mint a környezet, tehát abból hőt vesz fel, melegszik. A környezetből "összelopkodott" hő növeli a motor által szolgáltatott mechanikai energiát. A mérések során ez már 5°C-os környezeti hőmérséklet-különbségnél is mérhető volt.

Jelenlegi CO2 motorkezelési technika mellett -főként a döntő fly-off-ban, a gőz expanziója jóval a fagypont alatt történik. Erős tankhűtés esetén kezdetben -20...40 foknál és ez még az expanzió végén sem emelkedik lényegesen a 0 fok fölé. A motor kellő működéséhez szükséges kb 20 bar nyomást már - 20 foknál elérjük, ami azt is jelenti, hogy ez esetben csak kismértékű fojtás keletkezik a fejszelepnél, tehát erősen lehűtött tank esetén csökken a fojtási veszteség. Ez lehet az oka annak, hogy versenyeken a legjobb eredményeket intenziv lehűtéssel lehetett elérni. Magasabb tankhőmérsékletnél hiába nagyobb a gőznyomás ,ezt az üzemi kb. 20 bar-ig fojtva elveszitjük a benne levő energia-többletet.

Mindezt figyelejbevéve azt lehet megállapítani, hogy a szénsavmotorból akkor kaphatjuk a legtöbb energiát, ha a tank üzemi hőmérséklete olyan, amely kb. 20-25 bar körüli állandó nyomást biztosít. Ez pedig kb. -20...-15 fok körül keletkezik. Ha tehát inditáskor a tank -40C fokra van lehűtve, akkor inditás után a környezeti hatás következtében a tank melegszik és ezt lehetőleg úgy kellene beszabályozni tudni, hogy -20..15C foknál alakuljon ki a hőegyensúly, amikor a tankban keletkező párolgási hőelvonást a külső térből felvett hő éppen kiegyenlíti. Az is világos, hogy ez nagymértékben a tank és a levegő hőmérséklet-különbségétől függ, tehát rendkívül "hőérzékeny". Minderről részletesebb tájékoztatást e számunkban elkezdett "CO2 hőkezelési technika a döntő fly-off-ban" c. új cikksorozatunkban igyekszünk adni.

A végeredmény az, hogy a CO2 motor által jelenleg nyerhető max. kb. 60j/g tengely-energia az elméleti lehetőségekhez képest igen szerény eredmény, de ezzel meg kell elégednünk, ha arra gondolunk, hogy az egykoron igen jól bevált MODELA-tipus legfeljebb 25...35 j/g-t tudott teljesíteni. A motor eredményességének jellemzésére használt fajlagos energia-termelési érték tehát csak hozzávetőleges adat és általában +20 fok környezeti hőmérsékletnél és kb. 0,5 Watt átlagteljesitménynél mérvadó.

Mindezek ellenére sem lehet azonban figyelmen kívül hagyni, mert ha egy motoron alamilyen módosítás vagy átalakítás történik, pl. dugattyu-tömités cseréje-, akkor az előtte- és utána végzett mérések közötti különbségből lehet megtudni, hogy a változtatás miképpen befolyásolta a motor viselkedését, javitott-e vagy rontott.

Előző számunkban jeleztük, hogy némi ismertetést adunk arról, hogyan lehet meghatározni a motor-méréseknél alkalmazott légcsavarok "" teljesítmény-tényezőjét. Ennek meghatározása azon a technikai tényen alapul, hogy egy adott fordulatszámmal forgatott légcsavar mindig azonos teljesítményt fogyaszt, bármilyen szerkezettel forgatjuk is meg. Régebben a motorokat úgy mérték, hogy a nyomatéki és teljesítmény-görbéket forgó mozgással működő fékpadon állapították meg, azaz a motort forgás közben fékezték, mérve a fékező nyomatékot és a fordulatszámot. világos, hogy lényegesen egyszerűbb olyan eljárás, ahol csak a fordulatszámot kell mérni. Ezt a módszert 1958-ban a MOKI-ban dolgoztam ki, a világbajnokságot nyert S1 tipusu speed-motor tervezése során, de ez a CO2 motor bemérésénél is jól alkalmazható.

Ha van egy üzembiztosan és jól működő légcsavarunk, akkor ezt különféle fordulatszámmal forgatva kell meghatározni a teljesített nyomaték értékeit. A hajtásnál célszerű olyan motort használni, melynek szabályozása széles tartományban egyszerűen megvalósítható és a fordulatszám eléggé stabil. Ha több fordulatszámnál meg tudjuk mérni a forgatónyomatékot, ezekből egyszerűen kiszámítható a fordulatszámhoz tartozó teljesítménynek a fordulatszám köbével kifejezett értékével kiszámítható az "f" tényező is. Minél pontosabbak a végzett mérések, annál kisebbek az eltérések a kiadódó "f" értékek között. A gyakorlatban előforduló fordulatszám-tartományban célszerű ezek átlagát venni alapul.

A mérések elvégzéséhez szükséges egy kisméretű, kb. 2 Wattos villanymotor. Ez általában kollektoros és egyenáramú lehet. Ezzel a torziós mérőpadot kell készíteni. Ez azt jelenti, hogy a villanymotort két végén forgathatóan kell felfogni, finom csúszó vagy éppen kis golyóscsapágyakban. A mechanika egyik alaptörvénye szerint a hatás megegyezik a visszahatással, jelen esetben a légcsavart forgató nyomaték a motor testét ellenkező irányban igyekszik forgatni. Ha tehát a motortest rugóhatás ellenében el tud fordulni, akkor az itt egyszerűen mérhető nyomaték azonos azzal, amely a légcsavart forgatja.

A torziós-rugó lehet egy kb. 60-80 mm hosszú, 0,5 mm vastag, egyenes acélhuzal. A forgatási hatás következtében keletkező csavarási elfordulás mértéke arányos a nyomatékkal, tehát kétszeres nyomaték, kétszeres szögelfordulást eredményez. Ezt a tengelyre fixen rögzített és sztatikusan kiegyensúlyozott mutató által skálán rajzolt beosztás jelezheti. A beosztás a lineáris összefüggésnek megfelelően egyenletes lesz. A beosztást gramm-centiméter mértékben lehet bemérni és berajzolni. Ha pl. egy 10 cm hosszú, a motorra rögzített és kb. vizszintesen álló karon 2,5 gr súly van, akkor ez 10x2,5=25 gr cm nyomatékot jelent. Tapasztalat szerint elegendő, ha a torziós "mérlegünk" felső mérési határa kb. 40-50 gr.cm. lesz. Elegendő a beosztált 1 gr-onként bemérni - az említett 10 cm-es karral -, a közbeeső értékeket egyenletes beosztással kell berajzolni. (Ábra).

Igen fontos itt a pontos fordulatszám-mérés. Mivel a villanymotor nyomatéka nem "lüktető", mint a dugattyus motoré, hanem egyenletes, ezért a rezgődrótos tachometer itt nem használható. Céljainknak olyan fotocellás fordulatszámmérő alkalmas, mely digitális kijelzésű és mérési pontossága legalább 10 f/p. E műszer úgy működik, hogy a "szeme" előtt elhaladó lapátokat számolja. Ennek megfelelően a műszer beállítható 2-3-4 lapátos légcsavarok mérésére. A számkijelzés a fordulatszámot percenkénti értékben adja. Ilyen műszer egyes modellező boltokban kapható, sajnos többnyire külföldön. Mindezek birtökában már csak a mechanikai alapszámítási menet ismerete szükséges.

Forgó mozgásnál a teljesitményt a forgatónyomaték és a szögelfordulás mértékének szorzata adja. Technikai számitásoknál a szögelfordulást nem a teljs kör 360 fokának megfelelő szögértékben kell számolni, hanem az u.n. "ív-rétékben", ahol egy teljes körfordulat értéke 2 = 6,2832. A forgatónyomaék pedig az új SI-rendszerben "Newton.méter"-ben számítandó. Mivel 1 Newton kb 100 gr-nak felel meg és 1 méter = 100 cm, ezért a gr. cm-ben mért nyomatékot a számításnál 100x100 = 10.000-rel (104)-nel kell osztani, hogy a képletben a nyomaték értéke Newtonméter-ben szerepeljen.

Ugyancsak az elemi fizika szerint a teljesitményt az 1 mp alatt végzett mechanikai munka adja és mivel a fordulatszámunk 1 perc időtartamra vonatkozik, ezért ezt még 60-nal is osztani kell, hogy a mért fordulatszámhoz tartozó teljesítményt "watt"ban kapjuk. Ha pl. a mért fordulatszám 1.500/p, akkor ez mp-ként 1.500 : 60 = 25 ford/mp-t jelent. Ha ugyanekkor mérőpadunk 25 grcm nyomatékot mutat, akkor ezek szerint a légcsavar fogatásához szükséges teljesítmény a következő módon számítható:

N = 1500.x1/60x6,2832 x 25 x 10-4 joule/mp, watt.

Célszerű összevonni a képletben szereplő állandó számértékeket, tehát az

1/60x 6,2832 = 0,10472,

a könnyebb számolás végett ez a következőképpen is kifejezhető:

1,0472 x 10 -1,

amivel a képlet a következő alakra módosul

N=1,0472x1500x25x10-5=0,393 watt

A képlet általános formában

N = 1,0472 x n x M x 10 -5 watt,

ahol az "n" a ford. szám percenként, az "M" a nyomaték gramm. cm-ben.

Ha a Hiradó 99/3 számában a teljesitményre adott képlettel ezt összevetjük, akkor N = 0,393 = f x 1,53 ,és ezekből az
"F" = 0,393:1,53 = 0,393 : 3,375 = 0,116

Célszerű 10 mérést végezni és ezek átlagát venni eredményként. Ugyanis a mérésnél előfordulhatnak kisebb eltérések, mind a nyomaték, mind a fordulatszám esetében és ezek szorzatainál a jelentkező különbség már nem hagyható figyelmen kívül. Több mérés átlaga a valós értéket jobban megközelíti.

A nagyobb pontosság végett előnyös olyan fordulatszámok környékén mérni, melyek a tényleges repülésnél is előfordulnak, tehát a piros MODELA-csavar esetén 1.200 - 1.800, az IGRA 200/200 csavarnál pl. 1.000 ......1.400 között stb.

A megfelelő mérési körülmények biztosítása és a torziós mérőpad elkészítése nem túl könnyű fekadat, de némi finommechanikai gyakorlattal és a legegyszerűbb barkács-esztergapaddal kellő ügyességgel megvalósítható. Mindezekkel igen érdekes - és hasznos - mérések végezhetők, melyekkel motorjaink tulajdonságai az eddigieknél alaposabban megismerhetők.

A kiszámított "F" tényező birtokában a későbbiekben már csak a motor fordulatszámát kell megmérni, ahol elegendő a rezgődrótos számláló is és bárki megállapíthatja, hogy mekkora fordulatszámmal kell működjön motorja ahhoz, hogy a modell vizszintes vagy éppen enyhe emelkedő repülést tudjon végezni.

Mindez bonyolultnak tűnhet ugyan, de a technika és a kereskedelem mai állása nem teszi lehetővé azt, hogy a legjobb szénsavmotort és a hozzá legalkalmasabb légcsavart megfelelő minőségben közvetlenül meg lehessen vásárolni, majd mindezt egy jól bevált félkészárú-modellel összeépítve a versenyeken a legjobb eséllyel lehessen résztvenni. A részvételi esélyek javíthatók, ha légcsavarunkat meglevő motorunkhoz és modellünkhöz tudjuk hozzáilleszteni, ebben pedig sokat segíthet, ha előre tudjuk, hogy légcsavarunktól mit várhatunk. Az itt részletezett eljárás és számítás e tekintetben jelenthet lehetőséget.

E cikksorozatunk ezzel befejeződött ugyan, de a CO2 motor üzemeltetése sajnos ennél több technikai problémát is felvet. Ilyen pl. a tank hőkezelésének módja a döntő "fly-off"-ban. Ennek részletesebb ismertetésére rövid cikk-sorozatot indít Hiradónk.