A gőzzel hajtott személygépkocsi

Amikor a gőzgép és a gőz, mint hajtóközeg eszünkbe jut, aligha asszociálunk a közúton guruló autókra, sokkal inkább a vasúti gőzmozdonyokra és a gőzhajókra. Tény, kötetlen pályás alkalmazásoknál nem tudott igazán elterjedni a technológia, ám ez nem jelenti azt, hogy sosem próbálkoztak a gyártásával, sőt, néhány évtizeden át ezt a szegmenst is uralta.

Az alábbi cikkben a gőzmotor alapvető jellemzőit, az autóba történő adaptálásának lehetőségeit, és néhány valós példát mutatunk be.

Történeti áttekintés

A ma ismert gőzmotor működési elvét tekintve gőzgép, ezért a gőzgépnek, mint nem vasúti jármű hajtására alkalmazott gépnek a történetét tekintjük át.

1712-ben készült el az első atmoszferikus nyomáson működő gőzgép Thomas Newcomen angol feltaláló jóvoltából. Még jóval az autók megjelenése előtt, 1769-ben végezték az első kísérletet nem pályához kötött, gőzzel hajtott járművel, melyet a francia tüzérség nehéz felszerelésének vontatására használtak. A legfeljebb 4 km/h sebességgel mozgó jármű építője a francia tengerésztiszt, Nicolas Joseph Cugnot volt.

Mind az ipari forradalom, mind pedig a gőzgép központi országa az Egyesült Királyság volt, ezért a korai fejlesztések jelentős hányada is ide korlátozódott. 1830-ra már 26 darab regisztrált gőzkocsi közlekedett Londonban, átlagosan 24 km/h-s csúcssebességgel, ami akkor rendkívülinek számított (Olaszországban például csak 1854-re érték el a 8 km/h-t).

A század végére jelentős áttörések következtek, és a franciák is beszálltak a versenybe: 1888-ra elérték a 60 km/h-t, a századforduló idején pedig a gőzmotorok már jelentősen nagyobb teljesítménnyel bírtak, mint az akkor felbukkanó belső égésű motorok. Az 1902-es abszolút sebességi rekordot a személygépkocsik között egy francia gőzautó állította fel 120,77 km/h-val Nizzában.

Eközben az USA is érdeklődést mutatott a technológia iránt, és 1906-ra új csúcsot állítottak a floridai tengerparton, 205 km/h-t. A Stanley Gőzjármű Társaság 1925-ig nagyjából 12 ezer gőzautót gyártott le.

Az úthálózatok fejlődése a haszonjárművek forgalmát is élénkítette, amely új piacot teremtett a gőzmotor számára. Csak Angliában 1926-ban több mint 10 ezer gőzgéphajtású teherautó volt forgalomban.

A 30-as évekre azonban a belső égésű motorok behozhatatlan előnyre tettek szert a jelentősen jobb hatásfokuk miatt – ennek ellenére nem állt le teljesen a gyártás, sőt, a II. világháború végére bekövetkező folyékony üzemanyaghiány miatt sok üzem visszatért a széntüzelésű gőzgépek gyártásához.

Ezt követően darabszámuk fokozatosan csökkent, legközelebb az olajválság idején vált újra érdekessé a technológia, mint alternatív megoldás. Emellett a kutatók abban bíztak, hogy a gőzmotor újra versenyre kelhet a belső égésű motorokkal, mint környezetbarát megoldás, melynek jobban kontrollálható, egyúttal kedvezőbb a károsanyag-kibocsátása. A remény alapja az volt, hogy a nagy hőmérsékletnek jól ellenálló anyagok felhasználásával új termodinamikai és áramlástechnikai ismeretekre tesznek szert a fejlesztők. Valódi alternatívát közúti közlekedésben sajnos jelen pillalatban sem jelent a gőzmotor.

Működés

A gőzgép a fosszilis vagy bármilyen más tüzelőanyagban tárolt energiát alakítja mozgási energiává, mégpedig közvetett módon.

A tüzelőanyagból a kazánban történő elégetésével hőt termel, mely a rendszerben tárolt vizet gőzzé alakítja. A nagy nyomású és magas hőmérsékletű közeget használja fel a szerkezet a mechanikai munka előállítására.

A direkt kapcsolat a hajtással a jól tömített munkadugattyú. Egy megfelelően vezérelt elosztó segítségével hol a dugattyú fölé, hol pedig alá juttatják a nagynyomású gőzt, arra kényszerítve ezzel, hogy mindig a nyomástól távolodjon a hengerben. Ezt a fel-le mozgást pedig a hajtórúd alternáló mozgássá alakítja, mellyel már forgómozgás is elérhetővé válik.

A nagynyomású, forró gőz a folyamatos expanzió hatására munkavégzés közben kitágul és lehűl – ennek eredménye az ún. „fáradt gőz”. Ez a rendszerből szabadon távozik; ez a magyarázata annak, hogy a gőzgép extrém módon vízigényes.

Nyomatékgörbe

A gőzmotor indítási nyomatéka kétszer nagyobb, mint a legnagyobb fordulatszámhoz tartozó nyomaték. Ez azt jelenti, hogy a gyakorlatban nincs szükség sebességváltóra, hacsak nincs különleges követelmény a gyorsítás vagy a végsebesség kapcsán. A megvalósult gőzautók jellemzően nem kaptak háromnál több fokozattal rendelkező váltót. A villanymotorhoz hasonlóan ellenirányban is képes működni, ezáltal fékezésre is használható. Az indításhoz nincs szükség tengelykapcsolóra.

Hatásfok, üzemanyag-fogyasztás

Kijelenthető, hogy ma is ez a legnagyobb akadálya a gőzmotor közúti terjedésének. Sokáig legfeljebb 10%-os termikus hatásfokot voltak képesek elérni a fejlesztők, és jelenleg is a 15 és 30% közötti zónában helyezkednek el a legmodernebb változatok – legalábbis a gyártók szerint.

A versenyképes hatásfok, ezáltal a versenyképes fogyasztás eléréséhez legalább 600 °C-os gőzt kellene alkalmazni. Gőzturbinánál ez nem jelent problémát, ám annál inkább a gőzmotornál, ahol a dugattyú és a gyűrűk kenését tökéletesen meg kell oldani ilyen körülmények között is, méghozzá tartósan. Az ehhez szükséges tribológiai technológia jelenleg nem ismert.

Üzemanyag

Ha általános értelemben gondolunk a gőzgépekre, nem feltétlen a környezetkímélés jut eszünkbe róla.

Nem szabad azonban figyelmen kívül hagyni, hogy maga a tüzelőanyag csak közvetve vesz részt a működésben, a gőzgép számára teljesen mindegy, hogy mivel állítják elő a gőz hőmérsékletét és nyomását. Ennélfogva a felhasználhatósági skála rendkívül széles, amely számos lehetőséges biztosít a rendszer környezetbaráttá tételéhez.

Költségek

A gőzmotor 1 kW-ra jutó ára lényegesen nagyobb, mint a belső égésű motoroké, beleértve az előállítást, a szervizelhetőséget és a helyszükségletet is. Mai árakon számítva egy sorozatgyártású gőzautó ára többszörösen meghaladná egy akkumulátoros elektromos versenytársét.

Megvalósult gőzautók

Ahogyan korábban is említettük, számos, akár többezer példányba készült gőzautó közlekedett a múltban.

Az egyik ilyen a századfordulóval megjelenő, akkor 750 amerikai dollárért megvásárolható Locomobile, de említhetnénk az 1924-es Doble Model E-t, vagy az 1953-ban megjelenő Paxton Phoenixet.

2009-ben még új sebességi rekordot is felállított az Inpiration nevű vállalat, 238,679 km/h-val.

Az érdeklődés tehát teljesen soha nem szűnt meg, ám belátható időn belül aligha válik újra mainstream technológiává.