Előbb gőzzel, majd lőporral üzemeltek az ipari forradalom erőforrásai, de a háttérben már ott sorakoztak az újító kedvű mérnökök a belső égésű motorok terveivel…
Legutóbb ott hagytuk abba, hogy a kezdetleges gőzgépek megnyitották az utat a motorizált járművek felé, ám ekkor még nem dőlt el, hogy szén, lőpor, esetleg valami teljesen más nyersanyag adja majd az energiát ehhez. Nem meglepő módon a fejlődés következő lényeges lépéseit szintén a tudomány szolgáltatta: ez volt az úgynevezett lőporgépek megjelenése az 1700-as évek hajnalán, Huygens, Papin és Newcomen munkásságának köszönhetően. Magyarországon, Selmecbánya környékén is megjelentek ezek az óriási tűzmasinák, amelynek eredeti rajza a keszthelyi Festetics könyvtárban megtalálható – ha arra túráztok, feltétlenül nézzétek meg! A lőporgépek voltak az első szerkezetek a belsőégésű gépek családjában, és úgy működtek, hogy a henger belsejében ment végbe a folyamat – persze nem szabályozott formában -, ezért nevezzük robbanásnak.
Talán ebből is táplálkozik a mai napig tévesen használt kifejezés, amitől feláll a szőr minden jóérzésű mérnök hátán. Még a környezetvédelmi „szakemberként” tetszelgő nímandok is gyakran hívják robbanómotornak (sic!) napjaink benzines és dízel erőforrásait, holott ez pont akkora tévesztés, mintha gőzgépnek neveznék őket…
Lomonoszov megtöri a csendet
Lomonoszov 1778-ban megalkotja a termodinamika I. Főtételét, amely az energiamegmaradás törvényének hővel kapcsolatos jelenségekre alkalmazása. Anélkül, hogy mélyen belemennénk a száraz szakzsargonba: hő az energiának egy fajtája, amely gyakorlatilag bizonyítja, hogy a mechanikai munka és a hő egyenértékű. A hő mechanikai munkává, a mechanikai munka hővé alakítható, azzal a megjegyzéssel, hogy amíg a mechanikai munka szinte teljes egészében hővé alakítható, addig a hő csak jelentős veszteséggel alakítható át mechanikai munkává. Mindez egyben azt is ki fejezi, hogy egy termodinamikai rendszerrel közölt mechanikai és hőenergia a rendszer belső energiájának változását, növekedését eredményezi.
Képletszerűen: du = dq + dw [J/kg], ahol: dq a rendszerrel közölt hő, dw a munkaközegen végzett munkát, a sűrítést jelenti, du pedig a munkaközeg energiatartalmának megváltozását mutatja.
Tudtad?
A közhiedelemmel ellentétben James Watt skót mérnök és feltaláló csak alkalmazta, és nem feltalálta a gőzgépet. Watt születésekor Thomas Newcomen gőzgépei már Anglia-szerte üzemeltek, tehát nem lehet ő az első, mégis Watt nevét jegyeztük meg. Miért? Nos, Watt találmánya egy új, fontos részegység, a vízgőz lecsapására szolgáló gőzkondenzátor volt, amellyel jelentősen megnövelte a szerkezet hatásfokát. Watt rájött és kidolgozta, hogy hasznosítható munkát csak úgynevezett expanziós folyamatból, azaz nyomáscsökkenés mellett bekövetkező térfogat-növekedésből nyerhetünk. Az elvet gyakorlatba ültette, és ennek köszönhetően elkészítette az atmoszférikus gőzgépet.
https://youtu.be/XMIKHkd59Dk
A világ első gépjárműve – James Cugnot gőzautója működés közben
Ezzel az emberiség fordulóponthoz ért: 1779-től, a modern gőzgép megalkotásától számítjuk az angol ipari forradalom kezdetét, amely átalakította a világot, egyszersmind a gépek a munkavégzés nélkülözhetetlen részeivé váltak.
Remekül működnek a gőzgépek, de ott lihegtek a sarkukban a benzines masinák
Lám, száz év sem telt el, s a 18. század végén máris belsőégésű gépek álltak üzembe Európa több államában. Ez annak a megfigyelésnek volt köszönhető, hogy a fa, a kőszén, barnaszén száraz desztillációja során keletkezett gáz a levegővel keveredve robbanó elegyet alkot. Megannyi kísérlet folyt ilyen szerkezetekkel, míg végül 1791-ben az angol John Barber gázgépe nyert szabadalmi védelmet: ebben világítógáz és levegő elegyét sűrítették össze egy szivattyúval, majd azt meggyújtva gyakorlatilag megszületett az első munkaütem és maga a belső égésű motor.
Ez azonban csak a kezdet volt, és 1824-ben Carnot kidolgozta a leghatékonyabb termodinamikai körfolyamat modelljét, amely segített megérteni, miként fejlesszék tovább az erőforrást. Olyan helytállónak bizonyult, hogy napjaink tervezői is ezt az ideális állapotot próbálják megközelíteni – lám, ez mit sem változott az utóbbi két évszázad alatt.
Egy kis fizika: hogy működik?
Az I. főtétel önmagában még nem mondta meg, miként lehetséges a hőenergia mechanikai energiává átalakítása. Ehhez szükség volt a másik nagy elméleti áttörésre, amely Rudolf Julius Emanuel Clausius nevéhez kötődik – ő alkotta meg 1850-ben megalkotta a termodinamika II. főtételét. Kiegészítette a termodinamika I. megállapításait, valamint bevezetett egy új virtuális állapotjelzőt, az entrópiát: ds = dq/T [J/kg*K], ahol: ds a rendszer entrópiája; T a munkaközeg hőmérséklete. Ezzel lehetővé vált a belsőégésű motor hőtani tervezése.
A II. főtételből levonható következtetések a belsőégésű motorra vonatkozóan a kompresszió és az expanzió elméleti és gyakorlati kezelését tette lehetővé. Utólag visszagondolva ekkor már csak két nagyon jelentős elméleti kérdés kidolgozása volt hátra: kellett egy olyan szerkezet, amely lehetővé teszi a hőexpanziót hőmérsékletcsökkenés és térfogatváltozás mellett, tehát ki kellett dolgozni a hőerőgép kéttartályos működési feltételeit. Szükség volt még egy rugalmas munkaközegre, melynek energiaszintje sűrítéssel megnövelhető és elégetése közben expanzió általi munkavégzésre képes.
Ezzel el is jutottunk a benzinmotorok, vagy ahogy gyakrabban nevezzük: az Otto-motorok hajnaláig, bár elég nagy tévedés így hívni, ugyanis Nikolaus August Ottónak még kártérítést is kellett fizetnie, mert egy órásmester tervei alapján építette meg azt a bizonyos belső égésű motort…
Tartsatok velünk a következő részben is, amikor folytatódik a történet és lehull a lepel az első mai értelemben vett belsőégésű motorról!
Kapcsolódó anyag: Két- és négyütemű motorok története – a sorozat eddig megjelent részei