A belső égésű motor

Áttekintés

A fizikusok a belső égésű motort "elsődleges mozgatónak" nevezik, vagyis valamilyen energiát (például benzint) használ a tárgyak mozgatásához. Az első megbízható belső égésű motorokat a XIX. Század közepén fejlesztették ki, és szinte azonnal szállításra használták őket. A belső égésű motor fejlesztése segített megszabadítani az embereket a legnehezebb kézi munkától, lehetővé tette a repülőgépet és más szállítási formákat, és forradalmasította az áramtermelést.

Háttér

1698-ban Thomas Savery (kb. 1650-1715) brit hadmérnök megépítette a "Bányászbarát" eszközt, amely gőznyomás segítségével kiszivattyúzta a vizet az elárasztott aknákból. Néhány évvel később Thomas Newcomen (1663-1729) kibővítette Savery tervét, és létrehozta az első igazi motort. A Newcomen motorja, ellentétben Christiaan Huygens (1629-1695) és Savery motorjaival, magához a motorhoz rögzített dugattyút használt. Ezért folyamatos (bár alig sima) hatalmat produkálhat.

A XIX. Században fennálló három körülmény ösztönözte a belső égésű motor fejlesztését. A fő feltétel az ipari forradalom által támasztott energiaigény volt. Másodszor, a fizikusok kezdték megérteni azokat a kulcsfontosságú fogalmakat, amelyekre a belső égésű motor épült. Harmadszor: a motor hajtásához szükséges üzemanyag egyre inkább elérhetővé vált.

1700 és 1900 között a tudósok kifejlesztették a termodinamika területét, amely eszközöket adott a feltalálóknak a különböző típusú motorok hatékonyságának és teljesítményének kiszámításához. Ezek a számítások azt sugallták, hogy a belső égésű motor potenciálisan sokkal hatékonyabb, mint a gőzgép (ami ezzel szemben külső égésű motor volt, vagyis maga a motoron kívül gyújtja meg az üzemanyagot).

A belső égésű motor korai történetének legfontosabb eseménye 1859-ben történt Jean-Joseph Etienne Lenoir (1822-1900) belga feltaláló keze alatt. A Lenoir motor egyszerre volt tartós (néhányuk 20 év használat után tökéletesen működött), és ami még fontosabb, megbízható. A motor korábbi verziói rossz minőségűek voltak, és minden ok nélkül leálltak. A Lenoir motor folyamatos teljesítményt nyújtott és zavartalanul működött. 1862-ben Lenoir feltalálta a világ első autóját.

Az 1860-as években Nikolaus Otto (1832-1891) a Lenoir kétütemű és az Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) elméleti négyütemű motorjaival kezdett játszani. Ottó élelmiszerbolt volt; nem volt technikai végzettsége és tapasztalata. 1866-ban Otto - Eugen Langen (1833-1895) német iparos segítségével - kifejlesztette a sikeres, de nehéz és zajos Otto és Langen Motorot. Folytatta a motorokkal való kísérletezést. 1876-ban kiadta a "Silent Otto" -t, a világ első négyütemű motorját. Amellett, hogy a Silent Otto csendesebb volt, mint a korábbi motorok, sokkal üzemanyag-takarékosabb volt.

Ottó motorja meghatározta az idők mércéjét. Valójában a modern motorok alapvető kialakítása továbbra is megegyezik az Ottóéval. Ahogy a termodinamika megjósolta, a belső égésű motor sokkal üzemanyag-hatékonyabb, mint a gőzgép. A csendesebb, olcsóbb működésű és a gőzgépeknél kevésbé terjedelmes belső égésű motorok Észak-Európa ipari üzemében kezdtek megjelenni.

Annak érdekében, hogy a belső égésű motor folyékony tüzelőanyagokat használjon, először a folyadékot kell gőzös állapotba alakítani. A motorgyártók következő kihívása az volt, hogy kitalálják ezt a változást. 1880 és 1900 között különböző folyamatokat találtak ki ennek a feladatnak a teljesítésére. Három módszert fejlesztettek ki 1885 és 1892 között: a karburáció, a forró izzók párologtatása és a dízelmotor.

A porlasztásban egy karburátornak nevezett eszköz keveri a levegőt a folyékony üzemanyag gőzeivel. A karburátor ezután a keveréket a motorba juttatja. A motor belsejében lévő szikra vagy láng meggyújtja a keveréket. Ez a karburátor funkciója a mai autókban. Összehasonlításképpen: a forró izzós motor benzint szórt a henger melletti forró felületre, majd az elpárologtató üzemanyagot gőz formában szívta be a motorba. A forró izzós motorral kevésbé illékony üzemanyagokat, például kerozint lehetett használni. A harmadik módszer a dízel kompressziós motor. Ahelyett, hogy külső hőforrást használna a gáz meggyújtásához, mint az első két módszerben, Rudolf Diesel (1858-1913) német mérnök feltalált egy eljárást, amelyben a gáz meggyújtja önmagát. A dízelnek erős háttere volt a matematikában és a természettudományban, és tudta, hogy amikor egy gázt összenyomnak, annak hőmérséklete addig nő, hogy az üzemanyag meggyulladjon.

Hatás

A századfordulóra a belső égésű motorok a nyugati élet szerves részévé váltak. Az ipari üzemek Európában és Amerikában széles körben használták őket, és megnyílt az átjáró az 1900-as évek nagyüzemi autógyártásához.

A szállítás területén a benzin belső égésű motort és változatait (elsősorban a dízelmotort) úgy alakították ki, hogy tengeri, szárazföldi és légi közlekedésben is használható legyen. A tengeren számos kisebb hajó volt és működik továbbra is dízelmotorral, felgyorsítva az emberek és az áruk mozgását a víz által összekötött helyek között. Ez a kereskedelem gyorsabbá és olcsóbbá tételét szolgálta. A tengeri szállítás és a hatékonyabb szárazföldi áruszállítás kombinálása ezeket az előnyöket még jelentősebbé teszi. A kereskedelem fokozása viszont mindkét fél számára nagyobb jóléthez és magasabb életszínvonalhoz vezet, nem beszélve az új munkahelyek kialakulásáról.

A repülőgépek a benzinmotor fejlesztésének is köszönhetik létezésüket. Sok feltaláló megkísérelte a motoros repülést a XIX. Század végén, de csak a kis tömegű, nagy teljesítményű benzinmotorok álltak rendelkezésre a repülés területén. Valójában a benzinmotorok uralják a légi közlekedést a huszadik század első felében, és ma is fontos szerepet játszanak a magán-, a kereskedelmi és a katonai repülésben.

Figyelembe kell venni a gazdálkodásra és az élelmiszertermelésre gyakorolt hatást is. A traktorok és egyéb modern mezőgazdasági berendezések, amelyek általában dízel- vagy benzinmotorokkal működnek, jelentős szerepet játszanak a fejlett világban és a fejlődő világ egyes részeiben az élelmiszerek bőségében. A traktorok talajműveléshez, ültetéshez és betakarításhoz, valamint nagy teherhordáshoz való felhasználása növelte az egyetlen gazdálkodó által megmunkálható földterület mennyiségét, valamint növelte a hektáronkénti hozamot. Az egyéni gazdálkodók hatékonyságának eme kettős növekedése több élelmiszert eredményez alacsonyabb áron. A fejlett világban ez nemcsak azt jelenti, hogy több és olcsóbb élelmiszer áll a polgárai rendelkezésére, hanem több élelmiszer is exportálható minden nemzet számára.

A dízelmotor a belső égésű motor kinövése, amint azt korábban említettük. A dízelmotorok nagy teljesítményűek, kevesebb karbantartást igényelnek, és kevésbé finomított üzemanyagot használnak, mint a benzinmotorok. Ezek a tényezők olcsóbbá teszik őket, és a vasúti közlekedés, a nagy hajók és a kis hajók, valamint a teherautók választott motorjává váltak. A dízelmotorokat széles körben használják elektromos áramtermelésre is, különösen sürgősségi tartalék tápegységként olyan létesítményekhez, mint a kórházak és atomerőművek. Mindkét teljesítményben a dízelmotorok megbízhatónak és olcsónak bizonyultak karbantartásukban és üzemeltetésükben.

A megvitatandó végső hatás a belső égésű motor környezeti hatása. Valamennyi belső égésű motor valamilyen szénhidrogén elégetésével és kipufogógázok kibocsátásával működik. Ezek a szénhidrogének jellemzően kőolajból származnak, és elégetve szén-dioxidot, szén-monoxidot és vizet képeznek. Bár olyan hidrogénmotorokat fejlesztettek ki, amelyek hidrogént égetnek és kipufogógázként vízgőzt termelnek, e cikk írásakor ritkák.

Az üzemanyag szempontjából a kőolajkészletek végesek, és egyre nehezebb felfedezni és kinyerni. A kitermelés folyamata változatlanul bizonyos környezeti hatásokat eredményez, nemcsak a fúrási helyen, hanem a szállítási útvonal mentén is. Mivel a legtöbb kőolajat finomítóktól és ipari nemzetektől távol eső régiókban nyerik ki, nagy részét óceánjáró tartályhajók szállítják, amelyek néha potenciálisan komoly eredménnyel járnak.

A motorokban elégett szénhidrogén-üzemanyagok sok gázt szabadítanak fel, amelyek többsége hozzájárult a levegőszennyezéshez. Amíg az Egyesült Államokban betiltották, sok üzemanyag ólomvegyületeket is tartalmazott, amelyek ólommérgezés esetén érintettek voltak. Ólom nélkül is úgy tűnik, hogy a szén-dioxid, az elsődleges égésű kipufogógáz elég nagy mennyiségben termelődik, és azt figyelték meg, hogy a légköri szint globálisan növekszik. Mivel a szén-dioxidról ismert, hogy segít megfogni a napenergiát, rengeteg olyan spekuláció folyik, amelyek szerint a belső égésű motorok széles körű használata világszerte a hőmérséklet emelkedését eredményezi, amely potenciálisan katasztrofális eredményekkel járhat. Hangsúlyozni kell azonban, hogy azokat az adatokat, amelyeket a globális felmelegedés bemutatására értelmeztek, sokféle olvasatnak vetik alá, és nem minden tudós gondolja úgy, hogy a globális felmelegedés valóban bekövetkezik. Emellett emlékeztetni kell arra, hogy a Föld történelmének nagy részében a hőmérséklet jóval magasabb volt, mint jelenleg. Tehát, még ha a globális felmelegedés is bekövetkezik, az oka lehet a fosszilis üzemanyagok belső égésű motorokban történő égetésének, vagy sem.

TODD JENSEN ÉS P. ANDREW KARAM

További irodalom

Fésű, Harry. Öld meg az Ördög-dombot. Boston: Houghton Mifflin Company, 1979.

Hardenberg, Horst O. A belső égésű motor középkora 1794-1886. Detroit: Járműmérnökök Társasága, 1999.

Roberts, Peter. Veterán és Vintage autók. London: Drury House, 1967.