Mennyire (nem) hatékony egy wankel?

A következőkben egy mélyebb (ugyanakkor nagyon felületes), elméletibb bejegyzést olvashattok, melyben szeretném körbejárni a hatékonyság témáját. Természetesen ez egy rendkívül bonyolult témakör így messze nem kerülhet teljesen valósághű bemutatásra, ugyanakkor remélem sikerül egyszerre érthető és tartalmas módon bemutatnom azt. A hétköznapi, fogyasztás százon, megközelítés helyett itt a motor elméleti hatékonyságából indulunk ki. A hatékonysággal, általában százalékban megadva, sok helyzetben találkozhatunk, még belsőégésű motorok körében is. Itt 40%-os hatékonyság már kifejezetten jónak mondható, a Formula-1-es motorok éppen elérik az 50%-ot is. Mennyire hasznos azonban egyetlen ilyen szám? Mekkora terhelésen, fordulatszámon éri ezt el a motor? Más helyzetekben milyen a hatékonyság? A teljesítményhez hasonlatosan inkább egy háromdimenziós grafikonban kell gondolkodnunk, mely ábrázolja a hatékonyságot a motor terhelésének és fordulatszámának függvényében. Általában ennek mértékegysége gramm / kilowattóra, avagy BSFT (Brake Specific Fuel Consumption): Egy kilowattóra előállításához hány gramm benzint kell elégetnie a motornak. Ebből természetesen könnyen kiszámolhatjuk a százalékos hatékonyságot is: vegyük hány kWH energia van egy gramm benzinben és ezzel osszuk el a a BSFT inverzét, tehát a százalékos hatékonyság körülbelül 1/BSFT/0,122.

Az alapok ismeretében nézzük meg Luki Prius-át, helyesebben annak motorját mindenfajta hibrid hókuszpók, CVT stb. nélkül:

Tűzzük ki célul, hogy 220 gramm alatt (37% felett) maradjon az 1,8 literes 2ZR-FXE motor. Ez egy aránylag kicsi terület, jól látható, hogy 3000-res fordulatszám fölé egyből nem is mehetünk, ugyanakkor körülbelül 75 nM nyomaték alá sem. A motor összességében aránylag kicsi fordulatszámon és nagy terhelésen a leghatékonyabb, ez a trend általánosan is igaz (szívó) motorokra. Itt halkan megjegyezném, hogy ez a grafikon szimuláció, ugyanakkor nagyon hasonlít a Toyota hivatalos (kisebb felbontású) grafikonjára.

Nézzünk meg egy turbómotort is:

Az ábrán a Honda 1,5 literes L15B7 motorja látható. A Toyotához képest a turbónak köszönhetően jóval nagyobb nyomaték áll rendelkezésre adott fordulatszámon. A hatékony tartomány nem helyezkedik el annyira magas terheléseknél, ugyanakkor eléréséhez így is jóval több nyomatékra van szükség. Itt felmerülhet a kérdés: rendben, hogy akkor 2500-as fordulaton, 130 nM-t leadva kell közlekedni (nagyságrendileg a 37%-os tartomány alja), de a valóságban a legritkább esetben definiálhatjuk magunknak a teljesítményt. Ez 45 lóerő amire gyakorlatilag soha nincs szükségünk egyenletes sebességgel való városi közlekedésnél.

Erre a mellékvágányra érve vizsgáljuk meg mekkora teljesítmény szükséges 50 és 100 kilométer per órás sebesség mellett a közlekedéshez. Az elméleti adatokat és a képletek lásd a cikk végén. A légellenállás a sebességgel köbével nő, ebből látható, hogy nagy sebesség mellet egyrészt a légellenállás fog dominálni, másrészt fogyasztási szempontból nagyon nem éri meg gyorsan haladni. Ez alapján 100 km/h mellett (néhány átváltás után) körülbelül 28 lóerő szükséges a haladáshoz, de amennyiben 130 km/h sebességgel haladunk már 53 lóerőre lesz szükségünk. 50 km/h mellett pedig csupán 6 lóerő az igény. Természetesen gyorsításhoz, lejtőre kaptatáshoz sokkal nagyobb teljesítményekre is szükségünk lehet.

Így adott mekkora teljesítményre van szükségünk egy helyzetben, tehát ezen, mint vezető nem tudunk változtatni. Egy lehetőségünk marad a hatékonyság befolyásolására, és ez talán senkit sem fog meglepni: használjuk a váltót! Magasabb fokozatban, az alacsonyabb fordulatszám következtében, több nyomatékra van szükség, így közelíthetünk az ideális tartományhoz. Általánosságban elmondható, hogy próbáljuk meg alacsonyan tartani a fordulatot, ameddig ez nem okoz problémát a motornak. A „mennyire alacsonyan” kérdése pedig erősen motor függő.

Sajnos a BSFT grafikonok nem érhetők el egyszerűen, valamint gyakorlati használatuk sem egyszerű, pedig sokat segíthetnek a hatékony vezetésben. Egy modern járműben a számítógép gyakran ad támpontokat fel- illetve leváltást szorgalmazó jelzésekkel. Természetesen ez nem probléma egy automata váltó számára mely programozása jelentős mértékben erre az információra épít. Ha a gép nem segít (eleget) akkor pedig kénytelenek vagyunk tudatosan vezetni és megtanulni saját autónk működését és nem elfeledni, hogy minden motor más.

Toyota Prius 3 tartósteszt

A Toyota eCVT hibrid rendszerére visszatérve annak, egyszerűsített, logikája is látható: Ha olyan kis teljesítmény kell, ahol nem hatékony a rendszer mehet az autó elektromosan és ha merül az akku be lehet indítani a motort egy optimális tartományban. Ezzel a megoldással az autó folyamatosan magas hatékonyságú régióban üzemelhet. Természetesen itt is van sok más tényező, például üzemhőmérséklet, de az alap logika körülbelül tényleg annyi, hogy a lehető legtöbbet járjon a motor hatékonyan. És ezt nem olyan egyszerű (akár úgy is mondhatnám lehetetlen) hibrid hajtás nélkül megoldani. A CVT pedig garantálja, hogy a sofőrnek igen nehéz az egészet elrontania.

Itt szerencsére valós adatok is rendelkezésre állnak Luki által. Ezek alapján 80 km/h mellett aktívan tölti az akkumulátort, 1500-as fordulaton 90 Nm-t ad le, ami nem túl meglepő módon éppen legmagasabb BSFC tartományba esik. A képeken az is látható, hogy amikor a töltés leáll és csökken a leadott teljesítmény a hatékonyság is visszaesik, amit a rendszer egyre kevésbé zöld árnyalatokkal jelez (A hatékonyságot a benzines és elektromos teljesítményt jelző oszlopok közötti kör színe reprezentálja). 50 km/h-nál pedig mi a logikus? Természetesen az elektromos közlekedés.

Eljött az idő, most kiderül hogyan kéne vezetni egy RX-8-at hogy keveset fogyasszon:

Ez nem hivatalos mérés így pontossága nem feltétlenül a legjobb, de nagyságrendileg helytálló. Aránylag széles tartományban hatékony, de csak magas terhelés mellett. Annyira magas mellett, hogy gyakorlatilag teljes terhelésen a leghatékonyabb. A hatékonyság azonban relatív, itt 300-320 gramm üzemanyag kell egy kWH előállításához, ez csupán 26-27% körüli hatékonyság. Még mindig jobb, mint a régebbi wankelek 24%-a, de nyilvánvaló, hogy nem ez az erősségük. Bárhogyan csavarom az adatokat a Prius közel 50%-al hatékonyabb a hibridhajtás nélkül, ráadásul jóval használhatóbb tartományban. Nincs mit tenni, be kell ismerni: a Prius kevesebbet fogyaszt. Talán ez sem lep meg senkit.

Ha takarékosság miatt van wankeles autónk jobb elgondolkozni saját épelméjűségünkön, akiket pedig más motivált azok mérjék a fogyasztást literenkénti mosolyokban.

Állj! Nem végeztünk! Ha ez ennyire gáz akkor miért rak a Mazda wankelt az elektromos autóba? Elsőként szögezzük le: Az MX-30 alapvetően városi használatra kitalált elektromos. Kis akkumulátorával is jól le tudja fedni az ingázást, a wankeles rásegítéssel pedig messzire is el lehet jutni. Ez teljesen logikus koncepció a legtöbb városi embernek, aki évente párszor fogja csak hosszabb távon használni. Ha pedig a használat döntő többségében elektromos akkor többet nyerhetünk a wankel alacsony tömegén, mint amennyit vesztünk a benzines fogyasztáson. Továbbá mivel ennek a motornak csak egy fordulatszámon és terhelésen kell üzemelnie sokkal egyszerűbb arra optimalizálni a szívósort, gyújtást, kipufogót. Még az is lehet, hogy egész tűrhető hatékonyságot sikerült elérni a Mazda mérnökeinek. Vagy csak azért csinálják, mert megtehetik, ahogy soros hathengeres motort, de még dízelt is fejlesztenek, hátsókerekes platformmal. Mert megtehetik. És ez így jó.

Képletek a fogyasztáshoz: Tegyük fel, hogy autónk légellenállási együtthatója kellemesen alacsony 0,3, a kerekek súrlódási együtthatója pedig 0,01. Homlokfelületünk legyen 3 négyzetméter, a légsűrűség pedig 1.2 kg/m^3. A vonatkozó képletek pedig sebesség^3 * légsűrűség * homlokfelület * légellenállás * 0,5, illetve súrlódás * tömeg * g * sebesség.

Források: