Az autózás fizikai - kémiai alapelvei

Teljesen természetesnek vesszük autónk működését, nem gondolkodunk sokat a "hátteréről".
Nézzük meg milyen fizikai, kémiai folyamatok történnek közben.


Főbb témakörök:
Energiaátalakulások, Az autózás anyagai, Elektromos eszközök - elektronikák - vezérlések, Akkumulátor, Biztonsági eszközök, Hibrid és elektromos autók

 

Energiaátalakulások

Az autó elindul és egyenletesen gyorsul

A benzinben lévő szénhidrogének mondjuk a normál oktán (C8H18) elégnek, széndioxiddá (CO2) és vízzé (H2O).

Az animáció ezeket az átalakulásokat szemlélteti

Mivel a széndioxidban és a vízben kevesebb energia raktározódik - az elektronok átlagosan közelebb mozognak - mint az oktánban és egyéb, a benzint alkotó szénhidrogénekben, energia szabadul fel. (Az az energia, amit néhány száz millió évvel ezelőtt a növények az akkori napenergiából "belezártak" a széndioxidból és vízből "előállított" szőlőcukorba.)
Ez a felszabaduló energia úgy jelenik meg, hogy az égéstermékek gázmolekuláinak az átlagos mozgási energiája (hőmérséklete) jóval magasabb. Ezek a részecskék igen nagy sebességgel ütköznek a hengerek és a dugattyúk falának, elmozdítják a dugattyút, közben lehűlnek (lassul az átlagsebességük). A hátranyomott dugattyú meghajtja a hajtókar segítségével a főtengelyt, ami - különböző áttételeken át - a kerekeket forgatja és közben mozgatja az egész gépkocsit. (Közben persze a súrlódás és a légellenállás miatt újra keletkezik hő is.)

Tehát összegezve a következő energiaátalakulások történtek eddig (az "előzményeket" és az "utóhatásokat" is figyelembe véve):
(napfényenergia) -> vegyi energia -> hőenergia -> mozgási energia -> hőenergia

Persze a keletkezett hőenergiának csak körülbelül egyharmada mozgatja az autót. A többi egyszerűen a környezetet melegíti, tehát az autó hajtása szempontjából "elvész".

Az égés során keletkeznek különböző hullámhosszúságú elektromágneses sugarak (látható és infravörös), mivel a molekulák egy része akkora energiára tesz szert, hogy az elektronjaik egy magasabb energiaszintű pályára kerülnek és onnan visszaesve fotonokat bocsátanak ki.
A molekuláknak csak egy része nyomja kifelé a dugattyút, a többi a henger falának adja le mozgási energiáját. El-eltalálnak a blokk öntvényének kristályrácsában atomokat. Ezek az atomok kötött helyen vannak, és ekkora energia nem képes onnan kimozdítani azokat, de a "szokottnál gyorsabban" kezdenek el rezegni a helyükön, azaz maga az öntvény is felmelegszik.
A blokkban keringő hűtőfolyadék molekulái is "felgyorsulnak", mivel az öntvény kristályrácsának atomjai, mozgási energiájuk egy részét átadják a hűtőközeg molekuláinak.
Ez a felmelegedett hűtőközeg aztán a kocsi hűtőjének fémrácsában is meggyorsítja az ionok mozgását, azok meg végül a hozzájuk ütődő, a levegőt alkotó gázmolekulákat lökdösik oldalba és nekik adják át az energiájuk egy részét.

Szóval az elégetett szénhidrogének energiájának kétharmadával, tulajdonképpen az utca levegőjét fűtöttük. Télen ugyan a keletkező egy része az utasteret fűti, de ez semmit nem változtat a lényegen, hiszen végső soron ez is az utcát fűti.

Az alábbi ábra a gépkocsi működése közben végbemenő energiaátalakulási folyamatokat szemlélteti.

Persze ezen kívül, még egyéb energiaátalakulások is történnek: az összes csapágyon - a motortól a kerekekig súrlódás lép fel, ami a már mozgási energiává alakított energiát alakítja hőergiává, illetve az anyag kopásává.

Ugyanez történik a gumiabroncsok és az út közötti súrlódásnál is.
A sebességtől függően, a mozgási energia egyre nagyobb hányada alakul át - a légellenállás miatt - a levegőt alkotó gázok, a benne lebegő egyéb anyagok mozgási energiájává (örvénylések) illetve ismét hőenergiává.

Eddig még csak mentünk szépen gyorsulva, egy egyenes úton.
Jelenleg megyünk úgy 72 km/órával mondjuk (20 m/másodperc).
Most álljunk meg.
Az 1 tonnás (átlagos) kocsink ekkora sebességgel, már tekintélyes mozgási energiával rendelkezik. Ez már olyan nagy energia, mintha 20 méter (több mint 6 emelet) magasból leesne az autónk!
Ha ezzel a sebességgel egy fának ütköznénk az ugyanolyan lenne, mintha 20 méter magasból egy fatörzsre ejtenék rá az autót.

Nem szabad elfeledkezni olyan "apróságokról" sem, mint az elektromos rendszerek energiaellátása. A gépkocsikban alkalmazott savas ólomakkumulátor tulajdonképpen csak az indításhoz szükséges energiát szolgáltatja (esetleg a helyzetjelzőt, rádiót, riasztót, stb. működteti szükség esetén a motor leállítása után. A gépkocsi működtetéséhez szükséges elektromos energiát is a motor állítja el a generátort forgatva. (Aki biciklizett már dinamóval annak személetessé vált, hogy a világítás plusz energiát igényel!) Ez bizony az üzemanyag-fogyasztás növekedésével jár. Ha mondjuk 200 wattnyit fogyasztanak folyamatosan az elektromos rendszerek, akkor ennek fedezéséhez óránként "nettó" 0,2 kWh energia szükséges. A motor hatásfokát is figyelembe véve több, mint fél kilowattóra energiát használ el óránként az autó az elektromos szükséglet kielégítésére, ennek zömét a világításra. Ez azt jelenti, hogy óránként kb. fél deci benzint fordítunk erre.
Ez nem tűnik túl nagy mennyiségnek, de nézzük ezt éves szinten. Egy átlagos autós évente 10.000 km-t megy a kocsijával. Nem ismerek pontos adatokat, de számoljunk mondjuk összátlagban 70 km/óra átlagsebességgel. Ezt azt jelenti, hogy egy évben 143 órát megy a gépkocsi, ami éves szinten több, mint 7 liter üzemanyag. (Persze ez nagyon sok mindentől függ, pl. a városban, országúton illetve autópályán megtett távolságok arányától, a fényforrások teljesítményétől, egyéb fogyasztók - mondjuk rádió - teljesítményétől, stb.)

Aztán itt van a légkondi. A gépkocsi nem éppen ideálisan hőszigetelt, üvegházként viszont remekül funkcionál.
Egy meleg, napsütéses nyári napon bizony rengeteg hőenergiát kell "kihűteni" az utastérből. Ez már kilowattnyi energiát jelent és legalább fél liternyi plusz fogyasztást óránként. Városi dugóban nyáron a fogyasztás jelentős hányadát jelentheti a hűtésre fordított üzemanyag!

Az autó megáll
Ha levesszük a lábunkat a gázról és üresbe kapcsolunk akkor jó sokáig gurulna a kocsi, mert csak a gördülő ellenállás súrlódása (jól csapágyazott kocsinál elég kicsi) és a légellenállás (ez egyre kisebb, ahogyan lassul az autó - a sebességgel csökkenésével négyzetesen csökken) fékezi.

Ha fékezni kezdünk akkor a fékpofák rászorulnak a tárcsára (a fékdob belső falára) és a mozgási energia egy kicsit gyorsabban alakul át a súrlódás miatt hőenergiává (illetve részben a betétek és a tárcsák (dobok) kopása miatti mechanikai munkává.

Ha mondjuk egy beton fal kerül elénk, akkor kicsit drasztikusabb az átalakulás, de akkor is mechanikai munka (deformálódás) és keletkezik.
Szóval mindhárom esetben megáll az autó, és a befektetett mozgási energia más energiák alakul - persze egyáltalán nem mindegy, hogy mivé és mennyi idő alatt!



Kanyarodás

Mi történik, ha az autónak el kell térnie az egyenestől. El kell fordítani a kormánykereket.
Ez eddig egyszerűnek látszik.
De mi történik, ha egy 1 tonnás személygépkocsival 110 km-es óránkénti (kb. 30 m/s) sebességgel beérünk egy 10 méter sugarú kanyarba.
Az Öveges tanár úr által a körmozgásnál megadott alapesetből könnyen kiszámolható, hogy ebben ez esetben 20 tonnányi erő próbálja egyenesben tartani a kocsit. Miközben az út eltér ettől az egyenestől!
Ezt az erőt a négy gumiabroncsnak kell(ene) kb. négy tenyérnyi felületen súrlódva megtartani.
Ez kerekenként 5 tonnányi erőt jelent.
Nem javaslom kipróbálni, még száraz úton sem.


Lejtőn felfelé - lefelé

Egy 10%-os lejtőn már a nehézségi gyorsulás tizedével gyorsul autónk ha "elengedjük".
Ez azt jelenti, hogy egyetlen másodperc elteltével kb. 1 m/s vagyis kb. 3,6 km/óra sebességre gyorsul fel.
Ez ugyan nem túl nagy sebesség, de egy 1 tonnás átlagos autót ilyen "gyalogos sebességgel", már nem lehet kézzel megállítani. Ha nem sikerül gyorsan beugrani, akkor esély sincs a megállítására!
Bárki kipróbálhatja, hogy egy meredekebb lejtőn a motort leállítva (motorfék nélkül), néhány másodperc múlva már "tisztességesen" fel tud gyorsulni a gépkocsi.

Felhasznált energia - hűtés - hatásfok

A napjainkban használt gépkocsik (általában a hőerőgépek) hatásfoka úgy 30-40% között van.
Ez azt jelenti, hogy egy 55 LE-s (kb. 40 kW-os) gépkocsi maximális teljesítményének eléréséhez kb. háromszor annyi hőenergiát kell előállítani az üzemanyag elégetésével és ennek kétharmadát a hűtőn, illetve a motor felületén "szét kell sugározni" a környezetbe, hogy a motor ne melegedjen túl.
Ha figyelembe vesszük, hogy egy átlagos családi ház fűtéséhez 20-30 kW-os gázkazán elegendő, akkor látható, hogy mennyi energia megy veszendőbe!
Durva hasonlatként mondhatjuk, hogy 9 liter üzemanyagból 3 literrel utazunk kb. 100 km-t, 6 literrel pedig a környezetünket fűtjük!!

 

Az autózás anyagai
(motorolaj, szintetikus motorolaj, fékolaj, fékfolyadék, fagyálló, szélvédőmosó)

A korszerű autók rendkívül összetett, bonyolult szerkezetek. Rengeteg anyagot (és persze rengeteg tudást, fejlesztést) "építenek beléjük".) A teljesség igénye nélkül nézzük meg mennyiféle anyag építi fel az autót és mennyiféle anyagot használunk üzemanyagként, szerkezei anyagként, illetve egyéb célokra az autózás során.

Az autót felépítő anyagok

Az autók váza (karosszériája) általában fémekből készül, leggyakrabban acél lemezekből. Különleges autókhoz használnak alumínium vagy üvegszálas műanyag karosszériát (elemeket) is.
Ezen kívül számtalan egyéb fémet alkalmaznak az autók különböző alkatrészeihez. Nézzünk néhányat:
- Legnagyobb mennyiségben a vasat és különböző ötvözeteit használják.
- Egyre nagyobb mennyiségben alkalmaznak könnyűfém (alumínium, magnézium, stb.) ötvözeteket pl. a keréktárcsához ("felni").
- Viszonylag nagy mennyiségben használt fém a réz is. Tiszta állapotban főleg elektromos vezetékekhez - rengeteg van egy autóban - használják, de ötvözetei pl. bronz csapágyként és egyéb célra használatosak.
- E mellett számtalan egyéb fém megtalálható ötvözőként, bevonat céljára. A periódusos rendszer fémeinek legalább fele jelen van egy korszerű autóban.

Rengeteg műanyag szerkezeti elem található a gépkocsikon. A legkülönfélébb műanyagokat alkalmazzák "önállóan" és különböző összetett ("kompozit anyagok") formájában.
Ide sorolhatók többek között:
- a lökhárítók és a kárpitok poliuretán anyagai,
- a festékekben, szigetelőkben alkalmazott epoxigyanták,
- az abroncsokban, csövekben, egyéb helyeken alkalmazott természetes és műgumik

Az autókhoz használt amorf anyagok közül meg kell még említeni az üvegeket és a kerámiákat:
- üvegeket biztonsági okokból csak hőkezelt és ragasztott formában alkalmaznak. Ez utóbbiak gyakorlatilag kompozit anyagnak tekinthetők, hiszen két üveg réteget ragasztanak össze egy vékony, átlátszó műanyag fóliával.
- Kerámiát alkalmaznak pl. a gyújtógyertyák (a képen) hőálló szigetelésében.

Az autózásnál használt vegyi anyagok

Üzemanyag
Különböző szénhidrogének keveréke. Ezek egy része a kőolaj lepárlás során "közvetlenül" is keletkezik. Így azonban nem keletkezne elegendő üzemanyag és a minősége sem lenne igazán megfelelő.
Az Ottó motorokban az üzemanyag keveréket a gyújtógyertya szikrája gyújtja meg. Nem szabad tehát "magától" meggyulladnia a sűrítés során. Vagyis jó kell legyen a "kompressziótűrése".
Ennek mérésére az "oktánszámot" használják. Ezt úgy mérik, hogy az üzemanyag kompressziótűrését összehasonlítják egy normál heptánból (0 oktánszámú) és egy izo-oktánból (100-as oktánszámú) álló keverékkel.

Korábban ólom-tetraetil adalékot is alkalmaztak az oktánszám növelésére. Ez úgy "működik", hogy a "robbanó" elegyben apró ólomszemcsék lebegnek a hengerben és ezek a sűrítés során esetleg meginduló gyulladás gócokat nem engedik tova terjedni. Ugyanúgy viselkedik, mint a kovaföld a dinamitban, "letöri a láncreakciót".
Környezetvédelmi okokból (az ólom nem éppen gyermektápszer) már nem alkalmaznak ólom-tetraetil adalékot, más módon kell megoldani a kompressziótűrő-képesség fokozását. Mint az "összehasonlító keverékből" is látható az elágazó szénhidrogének (pl. izo-oktán) kevésbé hajlamosak a sűrítés során a robbanásra.
Ezért, és a nagyobb üzemanyag mennyiség elérése érdekében, a lepárlás fizikai folyamatán kívül még egy csomó vegyi átalakítást is végeznek. A hosszabb szénláncú paraffin vegyületekből un. "krakkolással" elő lehet állítani rövidebbeket. Ezzel azonban még csak a mennyiség növelést oldottuk meg. Lehet továbbá elágaztatni, és ciklizálni is (a ciklohexánnak is jobb a kompressziótűrése, mint a normál hexánnak.)

Szóval annak a keveréknek, amit mi "95-ös benzinként" beletankolunk a kocsiba, már nem sok köze van a normál kőolaj párlathoz, bonyolult vegyi folyamatok terméke.

Katalizátor

A mai gépkocsik kipufogójában már "természetes" (és kötelező) a katalizátor alkalmazása.

Ez biztosítja a tökéletlen égés miatt keletkező szén-monoxid (CO) szén-dioxiddá (CO2) oxidálását.
A nitrogén oxidok (NOx) - konkrétan NO és NO2 - "eltüntetését".
A fémházban jellemzően nagyfelületű, méhsejtszerkezetű kerámia hordozóra felvitt platina- és ródiumrészecskék találhatók.
A maradék szénhidrogének (HC) vízzé (H2O) és szén-dioxiddá (CO2) "égetését". (Ezek az úgynevezett "3-way" vagyis "3-módon működő" rossz kifejezéssel "3-utas" katalizátorok. Ez gyakorlatilag annyit jelent, hogy ezt a három vegyület típust "takarítják el" az égéstermékek közül. Ezeket alakítják kevésbé problémás anyagokká.)



Motorolaj

A gépkocsi motor meglehetősen szélsőséges körülmények között kell működjön.
Télen el kell indulnia akár -20 °C alatt is. Ugyanakkor a motor belsejében, amikor eléri az üzemi hőfokot, több száz fokos hőmérsékletet is el kell viselnie.
Ez azt jelenti, hogy jó kell legyen a "viszkozitásindexe", vagyis a hidegen és a melegen mért viszkozitása ("folyékonysága") között nem szabad túl nagy különbségnek lennie. Ezt nem könnyű elérni, sőt egy "közönséges" olaj esetén nem is lehetséges. Ezért mindenféle adalékokat alkalmaznak (pl. molibdénvegyületeket), illetve újabban "szintetikus" olajokat alkalmaznak. Ezek bonyolult kémiai technológiákkal előállított szerves vegyületek keverékei.

Fékolaj

Helyesebben fékfolyadék. Ahogyan a flakonján is látható, ugyanis semmi köze az olajhoz többértékű alkoholok keveréke.
Mivel a fékrendszer melegszik a fékfolyadék egyik lényeges tulajdonsága a forráspont. Minél magasabb annál jobb a fékfolyadék.
A megfelelő fékhatás biztosítása érdekében néhány évente le kell cserélni az egész rendszerben a fékfolyadékot, mivel a melegedés miatt idővel részben lebomlik, de sokkal nagyobb problémát okoz, hogy vizet vesz fel és ettől csökken a forráspontja, ami a fékhatás romlását okozza.

Fagyálló

Mivel a víz a "szokásostól" eltérően viselkedik lehűléskor, vagyis 4°C-on a legkisebb a térfogata és tovább hűtve nem csökken, hanem újra nő.
Ha nem akarjuk, hogy télen szétfagyjon a hűtő, meg a motorblokk, "fagyállót" kell önteni a hűtőbe. Ez etilén-glikol (egy kétértékű alkohol - C2H4O2) vizes oldata.
Nincs olyan jó hőátadó képessége mint a víznek, de nagy előnye, hogy "normális anyagként" viselkedik, vagyis minél hidegebb annál kisebb a térfogata, és akár -20 °C alatt is folyékony marad.
Tulajdonképpen nyárra jó lenne "tiszta vizet" önteni a hűtőbe, télen meg fagyállót, a jobb hűtő hatásfok biztosításához, a korszerű motorok hosszú élettartama és üzembiztos működése azonban nem biztosítható tiszta vízzel. A hűtőfolyadék adalékanyagai nem csupán a fagyáspont csökkentését, valamint a forráspont növelését célozzák, hanem ellátják a motor és hűtője belső felületének korrózió elleni védelmét, megakadályozzák a hűtési hatásfok csökkenéséért felelős belső lerakódásokat, valamint elegendő kenést biztosítanak a keringető szivattyú tengelyének és tömítésének.
A tél közeledtével viszont célszerű egy fagyáspont mérést végeztetni és szükség esetén hűtőfolyadékot cserélni, mivel az etilén-glikol idővel elbomlik és elveszti a fagyállóságát!

Szélvédőmosó

Az is lényeges, hogy a vezető lehetőleg minél jobban kilásson az ablakon. Ezt télen-nyáron egyaránt biztosítani kell.
A téli szélvédőmosó esetén a fagyállóság biztosítása a fő szempont. A hűtőfolyadék (etilén-glikol) azonban erőteljesen károsítja a gépkocsi felületi festését (ráadásul a gőze is mérgező) ezért itt nem jöhet szóba. Erre a célra alkoholt használnak.
A nyári szélvédőmosó elsősorban felületaktív anyagokat és zsíroldószereket tartalmaz a víz mellett. Ez biztosítja a rákenődött apró rovarok eltávolítását.

 

Elektromos eszközök - elektronikák - vezérlések
(blokkolásgátló /ABS/, kipörgésgátló /ASR/, aktív katalizátor, elektronikus menetstabilizáló rendszer /ESP/, lambda szonda, világítás)

A korszerű autókban rengeteg villanymotor található (tükörállítás, ülések beállítása, ablakemelő, stb.), de még egy régebbi típusban is van néhány (önindító, szellőzés, stb.).


Egész biztos, hogy előfordul a gépkocsiban transzformátor, legalább a gyújtási szikrát biztosító nagyfeszültség előállításához szükséges gyújtótrafó (a képen).

Működési elve az ábrán látható.

Ezen kívül a korszerűbb autókban félvezetők, mikrocsipek tömege található. "Fedélzeti számítógép" biztosítja a legkülönfélébb funkciók vezérlését.

Ez az anyag elsősorban az alapelveket mutatja be, ezért csak nagyvonalakban foglalkozom a beépített elektronikák működésével.

Blokkolásgátló (ABS - Anti-lock Braking System)

A korszerűbb autókba (illetve egyre inkább minden autóba) beépített, az aktív biztonságot fokozó eszköz. Biztosítja a gördülő- és csúszó súrlódási állapot optimális arányát és ezzel az optimális fékerőt. Biztosítja, hogy az autó erős fékezéskor is kormányozható maradjon, mivel a kerekek gördülésének megtartásával a kormányzáskor fellépő erők átvihetők a talajra.
Nyilvánvaló, és biztosan sokan tapasztalták is már, hogy amikor az autó kerekei megcsúsznak, irányíthatatlanná válik. Ilyenkor célszerű felengedni a féket, majd újra fékezni. Ezt, elég nehéz "emberileg" hatékonyan megoldani, különösen veszélyhelyzetben.
Ezért találták ki a blokkolásgátlót, ami ezt a műveletet hajtja végre optimális módon.
A kerekeken elhelyezett érzékelők az elfordulást (illetve csúszást) képesek érzékelni. Egy "mikroszámítógép" a kapott adatok és "beégetett" programja alapján képes arra, hogy az egyes kerekeken elhelyezett mágnesszelepeket kapcsolgatva mindig annyi fékerőt engedélyez, ami minden egyes keréken optimális csúszás/gördülés arányt biztosít.

Kipörgésgátló (ASR - Anti-Slip Regulation)
Gyorsítás közben az ABS érzékelőktől kapott adatok alapján figyeli a kerekek fordulatszámát és csökkenti a motor teljesítményét, ha valamelyik kerék gyors fordulatszám-növekedést (megcsúszást) észlel.

Elektronikus menetstabilizáló rendszer (ESP - Electronic Stability Program)
Érzékeli az alul-, vagy túlkormányzottság miatti megcsúszásveszélyt, és ennek megfelelően csökkenti a motor teljesítményét, képes egymástól függetlenül fékezni az egyes kerekeket.
Ez a két beavatkozás az esetek 80 százalékában elég ahhoz, hogy a kocsi megpördülése elkerülhető legyen.


1. Vezérlő egység hidraulikával
2. Kerék fordulatszám jeladók
3. Kormányszög jeladó
4. Szögsebesség és oldalirányú gyorsulás érzékelő
5. Az ESP és a motor vezérlését összehangoló egység


Aktív katalizátor

A napjainkban gyártott autók mindegyikében jelen van.
Tulajdonképpen helytelen kifejezés, mert a katalizátor (lásd fentebb) csak annyiban aktív, hogy aktívan "végzi a dolgát". Az aktív elem a kipufogó rendszerben elhelyezett, a fentebb látható katalizátor előtt lévő érzékelő. Ez a kipufogógázok vegyi összetétele (gyakorlatilag a benne megjelenő oxigén) alapján egy "mikroszámítógép" és az abba "beégetett" program segítségével biztosítja, hogy a motorba mindig a körülményeknek megfelelő, optimális üzemanyag-levegő keverék kerüljön. Ezáltal csökken az üzemanyagfelhasználás és természetesen a levegőszennyezés is.
Ennek megvalósításához a kipufogócsőbe, a katalizátor elé beépített úgynevezett lambda szonda (a képen) méri a kipufogógáz oxigéntartalmát. A lambda szonda kerámiatestének csúcsa platina-bevonattal ellátott, és fémház védi. A bevonattal ellátott kerámiatest külső felülete közvetlenül érintkezik a kipufogógázban levő oxigénnel, a belsejébe pedig a külső levegőből jut oxigén. E két pont oxigéntartalma közötti különbség a lambda szondában feszültséget kelt, melynek mértéke 0,2 és 1,0 V közötti. Ha ez a feszültség alacsony, az magas oxigéntartalmat és szegény keveréket jelez. (A lambda szonda tulajdonképpen egy szilárd elektrolittal rendelkező galvánelemnek tekinthető.) Az információt a szonda elküldi a gépkocsi elektromos vezérlőegységének, amely folyamatosan ennek megfelelő módon szabályozza az üzemanyag/levegő keveréket. A szonda működésének elengedhetetlen feltétele, hogy kb. 300 °C-ra melegedjen fel. Amíg ez be nem következik, a gépkocsi elektromos vezérlőegysége "szabályozatlanul" üzemel és az üzemanyag/levegő keveréket előre meghatározott értékek szerint állítja be. Ezek a hideg motorüzemnek megfelelő kissé dús keveréket biztosítanak.

Világítás

Érdemes szót ejteni a gépkocsik világításáról is.
Ez is jelentős fejlődésen ment keresztül a gépkocsik alkalmazása óta.
Az első gépkocsikon még karbidlámpákat használtak (vagyis kalcium-karbidból vízzel acetilént fejlesztettek és ezt égették el), de hamarosan megjelentek az izzólámpák. Ezek a mai napig használatosak, de ma már főleg halogénizzókat használnak.
Az utóbbi időben egyre inkább a LED-es fényforrások jelennek meg. Eleinte csak a hátsó világításban, féklámpákon és a helyzetjelzőkön, de aztán a "fő" világításban is megjelentek.
Mivel ezeknek az áramfelvétele sokkal kisebb, csökkentik a gépkocsik fogyasztását is.

Egy kis gépkocsi-világítás történet:

Ford T karbidlámpája Lada első lámpa Lada hátsó lámpa

Egy újabb Volkswagen első és hátsó világítása

 

Akkumulátor

A gépkocsik elterjedt elektrokémiai áramforrása a savas ólomakkumulátor.
Szinte kizárólag ezt alkalmazzák gépkocsik indító-áramforrásaként.
Névleges feszültsége 2 volt (cellánként).
Belső ellenállása 0,01 ohm.
Elektrolitja hígított (kb. 20%-os) kénsav.
Az alábbi, oda-vissza lejátszódó vegyi folyamat biztosítja az elektromos energia tárolását:

Pb + PbO2(s) + 2H2SO4 <-> 2PbSO4 + 2H2O

 

Biztonsági eszközök
(aktív, passzív, külső, belső, lökhárító, energiaelnyelő karosszériaelemek, biztonsági öv, övfeszítő, légzsákok)

A gépkocsik biztonsági eszközeit két fő csoportba sorolják.
Aktív, vagy primer biztonsági eszközöknek nevezik a gépkocsi olyan kialakítását, ami csökkenti a baleset előfordulásának valószínűségét, kritikus helyzetekben segíti a vezetőt a helyzet megoldásában, műszaki megoldásokkal biztosítja az ember akaratának megfelelő működést.

Az aktív biztonsági eszközök közé tartozik
- a szervofék, a fékerőszabályozó, a többkörös fékrendszer,
- a szervokormány,
- az utastér fűtése-hűtése, szellőzése,
- a szélvédő pára- és fagymentesítő,
- az ablakmosó és törlő (elől-hátul), a fényszóró törlő,
- a visszapillantó tükör a gépkocsi mindkét oldalán,
- a tökéletesebb világító- és fényjelző berendezések,
- a blokkolásgátló (ABS),
- a kipörgésgátló (ASR)
- a menetdinamikai szabályzórendszer (ESP), stb.

Azokat a szerkezeti megoldásokat, amelyek az (emberi mulasztás vagy figyelmetlenség miatt) előforduló balesetek esetén biztosítják a gépjármű vezetőjének és utasainak a lehető legkisebb sérülését passzív, vagy szekunder biztonsági eszközöknek nevezik.

A külső passzív biztonsági eszközök közé tartoznak azok a megoldások, amelyek a baleset esetén a járműben ülők számára a védett teret (a túlélést) biztosítják, (az utastér szilárdsága), illetve a jármű ütközése során ható lassulást csökkentik.

A belső biztonsági eszközök azoknak a tényezőknek az összessége, amelyek a járműben ülők járművön belüli sérülésének megakadályozásához
lényegesek. Például az utasokra ható, elsősorban lassulás miatti terheléseket csökkentő utasvisszatartó eszközök, az utasok lehetséges ütközési helyeinek energiaelnyelő kialakítása.
Tető és tetőtartó elemek, védőkeretek szilárdsága (borulásnál).
A vázszerkezet ütközési szilárdsága (frontális, ferde, hátulról, oldalról ütközés esetén).
Ajtók, ajtózárak, sarokpántok szilárdsága.

Passzív biztonsági berendezések:
- Energiaelnyelő lökhárító (elől-hátul)
- Energiaelnyelő karosszériaelemek
- Tetőszerkezet merevítése
- Magszerű utastér kialakítása (megerősített cella)
- Fejtámasszal ellátott biztonsági ülések (hátsó ütközés elleni védelem)
- Párnázott műszerfal
- Süllyesztett ajtózárak és fogantyúk (gyalogosok védelme)
- Biztonsági szélvédőüveg,
- Ütésre elmozduló kormányoszlop,
- Aszimmetrikus világítás (fényszóró)
- Hárompontos biztonsági öv,
- Ütésre felfúvódó légpárna (légzsák), stb.

Lökhárító

Kisebb koccanásoknál (10 km/h-nál kisebb ütközési sebesség), a lökhárító megóvja a kocsiszekrény mögötte lévő részét a sérülésektől.
A korszerű személygépkocsiknál speciális számítógépes programmal nagy energiaelnyelő képességűre méretezik a lökhárítókat, csökkentve a továbbadott erőt és a kocsiszekrény sérülését. A külső műanyag burkolat mögötti fémrész általában ívelt és folyamatosan változó keresztmetszetű.


Energiaelnyelő karosszériaelemek

A gépkocsik tervezésekor elöl és hátul gyűrődési zónák kialakítására az utastérnél pedig utasvédelmi zóna kialakítására törekszenek.
A gyűrődési zónák a mozgási energia egy részét elnyelik, korlátozva ezzel a gépkocsiban ülőkre ható lassulásértékeket.
A védelmi zóna megvédi a bennülőket a sérülésektől, és az összenyomódástól.

Biztonsági öv / övfeszítő

Az 1930-as években az USA traumatológus orvosai kérték a kormányzattól a súlyos baleseti sérülések megelőzésére alkalmas eszköz bevezetését.
1949-ben vezették be a Ford modellekben a kétpontos biztonsági övet.
1958-ban a Volvo szabadalmaztatta a hárompontos biztonsági övet.
A statisztikák alapján az öv használata 50-60%-kal csökkenti a baleseti sérüléseket.

Magyarországon az első üléseken 1976. január 1-e óta kötelező.

A korszerűbb típusokban ütközésnél működésbe lép az öv előfeszítő, ami csökkenti a test előremozdulását. (Működési elve a jobboldali ábrán látható.)


Légzsák

Walter Linderel (német) és John W. Hetrick (amerikai) mérnök 1951-ben, egymástól függetlenül, nyújtott be szabadalmat az első légzsákra.
1964-ben japánban Yasuzaboru Kobori rendszere alapozta meg a ma használatos légzsákokat.
1967-ben Allan K. Breed találta fel a megfelelő elektromechanikus érzékelőt.
1970-ben a Ford és a General Motors kezdett el forgalmazni légzsákkal felszerelt autókat.

Először a kormányban és a kesztyűtartó alatt helyeztek el légzsákokat.

Kezdetben sűrített gázt alkalmaztak, de az nem volt elég gyors. Később pirotechnikai eszközzel, gyutacsként is használt nátrium-aziddal (NaN3) működtették. Ennek robbanásakor nagy mennyiségű (kb. 600°C-os nitrogéngáz keletkezik, ami 20-30 ms alatt felfújja a légzsákot.
A legújabb rendszerekben ezzel együtt sűrített gázt (hélium vagy argon) is használnak. Itt a pirotechnikai eszközből keletkező nagy nyomású nitrogéngáz átszakít egy membránt, kiszabadítva a palackban tárolt gázt.
Ennek a típusnak a működési elve az alábbi ábrán látható

 

 

Hibrid és elektromos autók

Az összes eddig leírtak úgy általában jellemzőek a gépkocsikra.
Napjainkban azonban már terjedőben vannak az úgynevezett hibrid autók és megjelentek kereskedelmi forgalomban a teljesen elektromos autók is. Ennek elsősorban környezetvédelmi okai vannak, de persze nem elhanyagolható szempont az sem, hogy a csökkenő kőolajkészletek miatt előbb-utóbb megoldás(oka)t kell találni a "jövő autójára".

Elektromos autók
Az igazi megoldás látszólag az elektromos autó lenne.

A villanymotorokat már régóta ismerjük, egész jókat tudunk készíteni.
A megoldás látszólag annyi, hogy a jó öreg belsőégésű motor helyére egy villanymotort kell tenni az üzemanyagtartály helyére meg valami áramforrást (pl. akkumulátort).

Egy elektromos autó megoldás. Itt közvetlenül a kerekekben helyezkednek el a villanymotorok.
Akkumulátor helyett alkalmazható üzemanyagcella is. Annak kisebb a tömege, viszont hidrogéntartályok szükségesek hozzá, amik szintén jó nehezek.

Az áramforrás két szempontból is problémás:
- nincsenek igazán jó hatásfokú, kis súlyú, hosszú élettartamú áramtároló megoldásaink
(Ezek nélkül egyrészt túl nagy tömeget kell cipeltetni a kocsival, ami rontja a hatásfokát, másrészt gyakran kell az amúgy is méregdrága akkumulátort cserélni, aminek reciklálása nem túl egyszerű.)
- az áram legnagyobb részének előállítása pillanatnyilag nem barátja a környezetnek
(Környezetbarát - pl. napenergiával történő - áramtermelés nélkül az elektromos autóval csak annyit érünk el, hogy a várostól kicsit távolabb égetjük el a fosszilis energiahordozókat, ott szennyezzük a környezetet.)

A REVA indiai elektromos kisautó már kereskedelmi forgalomban kapható.
Kis mérete ellenére nehezebb, mint egy Suzuki Swif (750 kg - nyilván az akkumulátorok miatt).
Tulajdonképpen 2 személyes, hátul legfeljebb 2 gyerek ülhet. Összesen 227 kg-ot bír szállítani beleszámítva a benn ülőket és a csomagokat is.
Hatótávolsága - 8 óra töltéssel - 80 kilométer, végsebessége pedig 80 kilométer/óra.
Az ára elég magas jelenleg.

 

Hibrid autók
Ezek tulajdonképpen a "hagyományos" belső égésű motort és a villanymotort ötvözik a hajtási rendszerben. Ezek az elektromos hibridautók (HEV - hybrid electric vehicle)

Többféle megoldás létezik.

A hibrid autó elvi felépítése.
A motorok lehetnek a kerekekbe építve is.

Működésük során a belső égésű motorról hajtott generátor képes menet közben tölteni az akkumulátort, de a fejlettebbek képesek arra is, hogy a felgyorsított gépkocsi mozgási energiájának egy részét visszanyerjék. (Elektromos energiává alakítják, és az akkumulátort töltik vele.)

A hibrid autók a belsőégésű motorja kisebb, mint az azonos teljesítményű hagyományos autóké. Általában rendelkeznek automatikus motorleállítási funkcióval, amely üresjáratban automatikusan leállítja és a megfelelő időben újraindítja a belső égésű motort. Ezzel is csökken az üzemanyagfogyasztás.
A legfejlettebbek már olyan intelligens vezérléssel rendelkeznek, amely mindig az adott körülménynek megfelelően alkalmazza az egyik vagy a másik, illetve akár mindkét hajtást (pl. gyorsuláskor rásegít a villanymotor). Az ilyen autók belső égésű motorja általában optimális fordulatszámon üzemel, ami szintén mérsékli az üzemanyagfogyasztást.
Városi közlekedés során a hibrid autók a hagyományosaknál jobban hasznosítják az üzemanyagot.


Felhasznált irodalom