Az autózás fizikai - kémiai alapelvei
Teljesen természetesnek vesszük autónk működését, nem gondolkodunk sokat a
"hátteréről".
Nézzük meg milyen fizikai,
kémiai folyamatok történnek
közben.
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.)
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 hő 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 hő
keletkezik.
Szóval mindhárom esetben megáll az autó, és a befektetett mozgási energia
más energiákká
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 több
mint 9 tonna súlynak megfelelő (93.364 N) 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.
Az ütközést megelőző, vagy súlyosságát csökkentő (fejlett vészfékező) rendszer.
Általában RADAR, ritkábban LIDAR rendszert használ a jármű előtt haladó jármű távolságának észlelésére.
Első lépésben az FCW (elülső ütközésre figyelmeztetés) lép működésbe hang és vizuális jelzéssel, ha a jármű vezetője nem avatkozik be időben, akkor AEBS működteti a fékeket.
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
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
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.