Milyen lesz a jövő belső égésű motorja?

A belső égésű motor még mindig nagy lehetőségeket rejt

A világ vezető járműipari beszállítójaként a Bosch gyakorlatilag valamennyi autógyártó számára biztosít nélkülözhetetlen technológiákat. Termékeink és szolgáltatásaink kínálata rendkívül széles, az egyszerű érzékelőktől a nagyobb alkatrészekig, a komplett befecskendező-rendszerektől a teljes motorkoncepciókig. Ez, illetve innovatív képességünk képezi az alapját azon tapasztalatainknak, amelyek birtokában felmérhetjük a járműmeghajtási rendszerek további fejlesztési lehetőségeit - olyan felmérés ez, amely túlnyomó részben független az egyes autógyártók egyéni törekvéseitől.
Ezen ismereteink alapján arra számítunk, hogy néhány éven belül egy átlagos alsó-középkategóriájú sorozatgyártású személyautó képes lesz három liter üzemanyag felhasználásával megtenni száz kilométert. Ez egy olyan autó lesz tehát, amely egy liter üzemanyaggal 33 kilométert, egy amerikai gallonnal 78 mérföldet, illetve egy angol gallonnal 94 mérföldet tud majd megtenni. Ez az autó 1200 kilogrammos tömegével nem számít majd könnyűnek, ugyanakkor 70 grammos kilométerenkénti széndioxid-kibocsátásával felülmúlja a környezetpolitikai célkitűzéseket. A Bosch műszaki fejlesztések egész során dolgozik azért, hogy kikövezze az utat ezen új jármű számára.

Napjainkban a benzinmotor a legelterjedtebb meghajtási mód a világon. Egy hozzávetőlegesen 1400 kilogramm tömegű, tipikus európai autó átlagos, kétliteres, négyhengeres, indirekt befecskendezésű motorja hozzávetőlegesen 100 kilowatt teljesítményre képes. Ez a jármű 7,7 liter benzint fogyaszt száz kilométerenként, miközben kilométereként 182 gramm szén-dioxidot bocsát ki. A későbbiekben hivatkozom majd erre a motorra, ha bemutatom azon műszaki előnyöket, amelyeket már átültettünk a gyakorlatba, illetve azokat, amelyeket a jövőben alkalmazunk majd.

Ennél az átlagos motornál ma már léteznek lényegesen üzemanyag-hatékonyabb korszerű motorkoncepciók: egy közvetlen befecskendezésű és a méretcsökkentés bizonyos lépésein átesett benzinmotor 15 százalékkal kevesebb üzemanyagot fogyaszt. Ezzel szemben egy hagyományos, közös nyomócsöves befecskendezésű dízelmotor 30 százalékkal kevesebb üzemanyagot használ fel, ugyanannyit, mint egy benzines hibrid.

Ezek a ma már általánosnak számító üzemanyag-fogyasztási és károsanyag-kibocsátási értékek azonban még korántsem jelentik a belső égésű motor, illetve a hozzá kapcsolódó hajtási koncepciók lehetőségeinek végét. A Bosch fejlesztői már dolgoznak azokon a technológiákon, amelyekkel még tovább csökkenthető az üzemanyag-fogyasztás és a széndioxid-kibocsátás.

A hatékonyabb benzinmotorok jelentős piaci hatása

Mérnökeink várakozásai szerint a benzinmotorok üzemanyag-fogyasztásának és széndioxid-kibocsátásának 25-30 százalékos csökkentése érhető el, ezzel valamivel kisebb fejlesztési potenciált jelentenek, mint a dízelmotorok. A benzinmotorok világszerte magas piaci részesedése azonban azt jelenti, hogy ezek a fejlesztések kétségkívül jelentős hatással bírnak majd. Annak ellenére, hogy egy tanknyi üzemanyag ára számottevően eltér a világ különböző részein, a lényegesen alacsonyabb széndioxid-kibocsátás és a fosszilis üzemanyagok óvatosabb használata jól tükrözi az autóipar célkitűzéseit, illetve a legtöbb országban egyre szigorodó károsanyag-kibocsátási politikát. A Bosch belső égésű motorokhoz kapcsolódó technológiái fontos alapot jelentenek ezen ambiciózus károsanyag-kibocsátási célok eléréséhez.

Az eladott autók csaknem kétharmada készült indirekt befecskendezésű benzinmotorral világszerte. Csupán a közvetlen befecskendezés és a motor kismértékű méretcsökkentése segítségével az üzemanyag-fogyasztás és ezzel párhuzamosan a széndioxid-kibocsátás legalább 15 százalékkal csökkenthető lenne. Néhány autógyártó már követi ezt a koncepciót, különösen benzinmotoros volumenmodelljeik esetében, a Bosch "DI-Motronic" közvetlen befecskendező-rendszer alkalmazásával. Európában ezt a rendszert alkalmazza például a Volkswagen, továbbá a BMW-Mini a Peugeot-val együttműködve. Az Egyesült Államokban a DI-Motronic rendszert használja a Ford hathengeres motorjainak "EcoBoost programjában". Továbbá megtalálható Ázsiában, a Suzuki K modellek 0,66 literes, háromhengeres motorjain is.

A benzinmotorok üzemanyag-hatékonyságának fokozását célzó műszaki csomagunkban a meghatározó méretcsökkentési tényezők a közvetlen befecskendezés és a turbófeltöltő. Első műszaki csomagunkban bemutattuk továbbá a motor szívó- és kipufogószelepeinek változó vezérlését, illetve ezt a szelepvezérlést kiegészítettük a szelepek egybenyitásával elért átöblítő funkcióval. Az átöblítés segítségével több friss levegő áramoltatható a hengerekbe, ami különösen alacsony fordulatszám mellett jelentősen növeli a nyomatékot, és biztosítja a kívánt teljesítményszintet még egy 1,4 literesre csökkentett lökettérfogatú motor esetében is.

Ez a műszaki csomag tovább csökkenti az üzemanyag-fogyasztást start-stop rendszerünkkel, amely a jármű álló helyzetében leállítja a motort. Hőgazdálkodási rendszerünk pedig szintén fokozza a motor hatékonyságát. Ezek a technológiák a benzinmotorok esetében segítenek 22 százalékkal csökkenteni az üzemanyag-fogyasztást, illetve ugyanekkora mértékben a széndioxid-kibocsátást.

A benzinmotorokhoz szánt második műszaki csomagunkkal megközelítőleg 29 százalékos csökkenést szeretnénk elérni az üzemanyag-fogyasztásban 2015-re. Ez magában foglalja a motorméret 1,1 literre csökkentését a teljesítmény és a nyomaték romlása nélkül. A teljesítmény a 100 kilowattos, kétliteres standard motorunkéval összevethető marad majd. Az első műszaki csomaggal szemben a turbófeltöltő töltőnyomását 1,8-ről 2,4 barra emeljük, ami azt jelenti, hogy még több levegő jut a motor égésterébe. Ez a kisebb égéstér ellenére is lehetővé teszi ugyanannyi üzemanyag befecskendezését és így ugyanazon teljesítmény elérését. Ehhez azonban kifinomultabb szelepvezérlés szükséges, amely nem csupán a szelepek nyitvatartási idejének, hanem a szelepek nyitási mélysége és így a beömlési keresztmetszet változtatására is alkalmas.

Ezen üzemanyag-fogyasztási fejlesztések alapja a DI-Motronic, a Bosch közvetlen benzinbefecskendező-rendszerének második generációja. Ez egyben a keverék hatékonyabb előkészítésével jelentősen csökkenti a szénhidrogén- (HC) és a nitrogénoxid-kibocsátást (NOx). A DI-Motronic könnyedén teljesíti az Egyesült Államokban megállapított SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) szabvány határértékeit, amelyek jelenleg a legszigorúbbak a világon. Ez elég mozgásteret biztosít a jövőbeni még szigorúbb károsanyag-kibocsátási határértékek teljesítésére. Ez a befecskendezési technológia továbbá eléggé robusztus ahhoz, hogy megfelelően üzemeljen a világ különböző részein elérhető, eltérő típusú és minőségű üzemanyagokkal is.

Ebben a műszaki csomagban mindemellett fejlesztőink az új HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) benzines égésfolyamat bevezetését várják 2015-re. A folyamatnak köszönhető, elsősorban részterhelésen jelentkező fokozott hatékonyságnak köszönhetően akár további 2-3 százalékponttal csökkenthető az üzemanyag-fogyasztás.

A gazdaságosabb és környezetkímélőbb dízelmotor kulcsa a fokozott hatékonyság

A dízelmotorokkal foglalkozó mérnökök számára egyre nagyobb kihívást jelent az üzemanyag-fogyasztás csökkentése. Az Euro 5 után az Euro 6 károsanyag-kibocsátási norma hatályba lépésével a nitrogénoxidok kibocsátását kevesebb, mint felére kell csökkenteni. Ennek eléréséhez a Bosch mérnökei optimalizálták a hagyományos égésfolyamatot. Sikeresen csökkentettük a nitrogénoxid-kibocsátást a visszavezetett kipufogógáz arányának növelésével, a porlasztólevegő töltőnyomásának fokozásával, illetve az üzemanyag-befecskendezési nyomás emelésével a motortérkép számos pontján. Ez az első műszaki csomag alapja, amelynek célja az üzemanyag-fogyasztás és a széndioxid-kibocsátás 22 százalékos csökkentése egy hagyományos dízelmotorhoz, és 45 százalékos csökkentése a standard benzinmotorunkhoz képest. Segítségével a károsanyag-kibocsátás mindössze 112 grammra csökken kilométerenként, ami már valamivel kedvezőbb a benzinmotorok hibrid változatainak értékeinél is. Ez a műszaki csomag emellett olyan elemeket is tartalmaz, amelyeket a benzinmotornál már megismertünk, mint például a méretcsökkentés, a start-stop rendszer és a hőgazdálkodás. Magában foglalja továbbá a rendkívül pontosan behatárolt előzetes befecskendezést is, amelyet új, gyorsabban kapcsoló befecskendező-szelepeink segítségével értünk el.
A dízelmotor hatékonyságának fokozása érdekében mérnökeink a kipufogógáz-kezelést is górcső alá vették. A nehéz járművek nagyobb teljesítményű dízelmotorjai a nitrogénoxid-kibocsátást hatékonyan mérséklő katalizátor segítségével lesznek majd képesek megfelelni az egyre szigorodó károsanyag-kibocsátási előírásoknak. A Bosch mérnökei emellett a haszonjárművekben már bevált SCR (Selective Catalytic Reduction) Denoxtronic rendszert is a személyautók követelményeinek megfelelően alakították át. Egyes dízel járműveket már elláttak ezzel a technológiával, és ezek teljesítik az Egyesült Államokban a dízelüzemű autókra vonatkozó rendkívül szigorú károsanyag-kibocsátási előírásokat.

A kipufogógáz-kezelés új távlatokat nyit meg a mérnökök előtt a dízelmotor hatékonyságának további fejlesztésére. Ahogy növekszik az égési hőmérséklet a hengerben, úgy javul a motor hatékonysága. Ám ugyanakkor ez károsan befolyásolja a nitrogénoxid-kibocsátást, amire szigorú előírások vonatkoznak. Ha azonban a nitrogénoxid-kibocsátásnak gátat szabunk egy SCR katalizátor beépítésével a kipufogórendszerbe, növelhetjük a motorban az égési hőmérsékletet. Ezzel fokozható a gázolaj hasznosításának hatékonysága, tehát az üzemanyag-fogyasztás csökken. Ebben az elrendezésben Denoxtronic rendszerünk segítségével további 5-7 százalékponttal csökkenthetjük az üzemanyag-fogyasztást. A lökettérfogat további, 1,2 literesre történő csökkentésével és a 83 kilowattos literteljesítmény elérésével a széndioxid-kibocsátás kilométereként 97 grammra csökkenthető. Egy ilyen Euro 5-ös dízelmotor üzemanyag-fogyasztása 33 százalékkal csökkenthető, dízel hibridként pedig ez a motor 40 százalékkal kevesebb üzemanyagot fogyasztana, mint egy hagyományos, közös nyomócsöves dízelmotor. Ezen a területen szoros fejlesztési partneri kapcsolatban állunk a PSA Peugeot Citroënnel, a világ egyik legnagyobb dízelmotor-gyártójával.

A károsanyag-kibocsátás és az üzemanyag-fogyasztás csökkentését célzó valamennyi törekvésünkben központi szerepet tölt be a befecskendezési technológia, különös tekintettel a befecskendezési nyomásra és a befecskendezés lefolyására. Legkorszerűbb mágnestekercs-vezérelt közös nyomócsöves rendszerünket elsőként nyomáskiegyenlített szeleppel láttuk el, amely lehetővé tette, hogy tovább javítsuk a befecskendezési folyamat dinamizmusát, akár 1800 bar vagy nagyobb nyomás mellett. Már megkezdődött a műszakilag összetettebb, piezo-vezérelt és akár 2000 bar befecskendezési nyomású Bosch közös nyomócsöves rendszer sorozatgyártása is.

Az Euro 6-nak megfelelő égési folyamatokra készülve, illetve az üzemanyag-fogyasztás és a széndioxid-kibocsátás további csökkentését megcélozva már 2000 barnál nagyobb nyomású befecskendező-rendszerek kifejlesztésén is dolgozunk. Ennek eléréséhez azonban mérnökeinknek még meg kell küzdeniük néhány kemény műszaki kihívással.

A hatékony motorok kulcsa a méretcsökkentés

Egy motor méretcsökkentésének egyik alapvető feltétele a motorba belépő porlasztólevegő nyomásának növelése - több üzemanyag elégetéséhez több oxigén szükséges -, így növelhető a motor teljesítménye. Más szemszögből nagyobb töltőnyomással ugyanazon teljesítmény kisebb lökettérfogattal is elérhető. Mindez a méretcsökkentés újabb kulcsfontosságú elemévé teszi a turbófeltöltőt. A Bosch Mahle Turbosystems vegyesvállalatunkban benzin- és dízelmotorokhoz egyaránt fejlesztünk feltöltési megoldásokat. Mérnökeink turbófeltöltők teljes skálájának megtervezésén dolgoznak, 40-től egészen 200 kilowatt teljesítményű motorokhoz. Különösen jelentős piaci lehetőséget látunk a 100 kilowatt alatti teljesítményű dízelmotorokhoz szánt turbófeltöltőkben.

Összefoglalás és kilátások - belső égésű motorok 2015-ben

A Bosch innovatív, új technológiák kifejlesztésén dolgozik a belső égésű motorral hajtott autók hatékonyságának folyamatos javítása érdekében, legyenek azok akár benzin- vagy dízelüzeműek. Vizsgálópadjainkon a belső égésű motorok fejlesztését célzó erőfeszítéseink egy új motorkoncepciót eredményeznek, amely majd 2015-re áll készen a piaci bevezetésre.
A méretet és minden fő paramétert figyelembe véve, a benzines és a dízelmotorok közötti különbségek lényegében csekélyek. Mindkettő számottevő méretcsökkentés alanya lehet, amely háromhengeres, 1,1 vagy 1,2 literes motort eredményez, amely ugyanúgy 100 kilowatt teljesítményt kínál, mint a beszédem elején említett standard motor. Sőt, mi több, számos kiegészítő technológiát tartalmaz majd, amelyek tovább fokozzák a hajtáslánc általános hatékonyságát:

o start-stop rendszer, amely automatikusan beindítja és leállítja a motort, ha a jármű álló helyzetben van, például egy piros lámpánál vagy forgalmi dugóban,
o hőgazdálkodási rendszer, amely hamar felmelegíti a motort az optimális üzemi hőmérsékletre, és ott is tartja a hőmérsékletét,
o rendkívül hatékony, vezérlőegységgel ellátott generátor, amely a fékezéskor keletkező energiát az akkumulátor töltésére fordítja,
o számos egyéb támogató funkció, amelyek az elektronizálásnak köszönhetően hatékonyabban és jobban vezérelhetően működnek.

A Bosch műszaki megoldásainak köszönhetően a jövő belső égésű motorjai még hatékonyabban üzemelnek majd. 2015-re egy benzinüzemű autó csak 5,5 liter üzemanyagot fogyaszt majd száz kilométerenként - 29 százalékkal kevesebbet, mint 2009-es standard motorunk. Egy dízelmotoros autó 2015-ben mindössze 3,6 liter gázolajat igényel majd száz kilométerenként - egyharmadával kevesebbet, mint 2009-es dízelmotorunk.

A hibrid technológia segítségével a benzinmotorok üzemanyag-fogyasztását 39, a dízelmotorokét 40 százalékkal csökkenthetjük. Az autógyártók emellett egyéb technológiák segítségével is igyekeznek tovább csökkenteni az üzemanyag-fogyasztást és a károsanyag-kibocsátást. Áramvonalasabb karosszériák tervezésével csökkentik a légellenállást. Csökkentik a járművek tömegét és gördülési ellenállását is. Mindent egybevetve, egy mindezen szempontokból optimalizált autó 50 százalékkal kevesebb üzemanyagot fogyaszt majd, mint ma - normál körülmények között benzinmotoroknál hozzávetőlegesen 3,8 literes, dízelmotoroknál 2,6 literes száz kilométerenkénti üzemanyag-fogyasztás érhető el.

Természetesen mindezen különleges technológiák költségekkel járnak. De az az összeg, amelyet a járművezetők megtakarítanak az üzemanyagköltségeken, azt eredményezi, hogy hosszú távon mégis megtérül a magasabb befektetés. Technológiánk segítségével minden egyes alkalommal pénzt takarítanak meg, amikor megtankolják autójukat. A technológia költségei pedig más utakon is megtérülnek - az életminőség javulásával és a környezet védelmével. Mindezt visszatükrözi a Bosch "Életre tervezve" szlogenje is.

A széndioxid-kibocsátás csökkentését célzó már említett műszaki megoldások mellett minden gazdasági és ökológiai szempontból megvalósítható lehetőséget mérlegelünk annak érdekében, hogy alternatív üzemanyagokkal működő belső égésű motorokat hozzunk létre. A megújuló erőforrásokból előállított üzemanyagok ugyanis szintén elősegítik a környezet védelmét.

A jövő belső égésű motorja - előnyök a hibrid és az elektromos meghajtással szemben

A mobilitás folyamatos terjedésével világszerte egyre többen szeretnének autót. Ez arra ösztönzi az autógyártókat és beszállítóikat, hogy fejlesszék termékeik energiahatékonyságát, amiben egyre fontosabb szerepet játszanak a hibrid meghajtású, illetve az elektromos autók. A széndioxid-kibocsátás és az üzemanyag-fogyasztás ugyanakkor lényegesen gyorsabban és költséghatékonyabban csökkenthető a benzines és a dízelmotorok fejlesztési lehetőségeinek kihasználásával. A Bosch mérnökei mindent megtesznek azért, hogy átültessék ezeket a technológiákat az autógyártók jövőbeni motorkoncepcióiba és maradéktalanul kiaknázzák a belső égésű motorokban rejlő lehetőségeket.