A technika fejlődése olyan, mint az evolúciós folyamatok általában: leginkább annak az emlékei maradnak fenn, ami ténylegesen megvalósult, bevált és elterjedt. Az, hogy más is „lehetett volna”, legtöbbször feledésbe merül, akármennyit is foglalkoztak annak idején az alternatívákkal, és akármennyire is bizonyulhatnak hasznosnak a fejlődés újabb irányai számára. Az egymást követő nemzedékek világképéből kihullanak a „mellékvágányok” emlékei: manapság például szinte biztos, hogy az „amerikai gázturbinás mozdony” kapcsán csak a GE jut eszünkbe, és egy dugattyús hőerőgéphez már eleve hozzáképzeljük a forgattyústengelyt. Hogy ezt netán rosszul tesszük, azt egy olyan EMD-mozdony esete is szemlélteti, amire az ötvenes évek végén nagy várakozásokkal tekintettek, végül mégsem jutott La Grange-on kívülre, mára pedig szinte teljesen feledésbe merült.

Pedig nem volna utolsó élmény élőben is találkozni egy FG9-cel! Képzeljünk magunk elé egy mozdonyt, ami leginkább egy FL9-re hasonlítana, de a tetejéből kiálló, feltűnően nagy hűtősor, vagy a megszokott 567-es „dünnyögés” helyett hallatszó turbinahang és a mély, leginkább „tüdővel hallható” dübörgés azt sejtetné, hogy valami szokatlant találnánk a gépterében! Kétségkívül nehéz volna hova sorolni egy ilyen gépet, és még érdekesebb az út, ami eddig a prototípusig elvezetett – mai szemmel olyan különös, hogy érdemes egészen messziről, a dízelvontatás hőskorától kezdeni a történetét.

A hőskor különlegességei

A nagyobb teljesítményű belsőégésű motorok vasúti alkalmazása hamar felvetette az erőátvitel kérdését, és kezdetben számos olyan megoldást is kipróbáltak, ami eredeti formájában nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket. Ilyen volt a pneumatikus erőátvitel, ahol egy belsőégésű motor egy légsűrítőt hajtott, majd a sűrített levegő, akárcsak egy gőzmozdonyban, munkahengerekkel és rudazattal hajtotta a mozdony tengelyeit. A kisebb „tűznélküli” ipari tolatómozdonyok mellett ilyen elven működött az Esslingenben 1927-ben gyártott V 3201, amit azóta is „Druckluftlokomotive” névvel illetnek az irodalomban. A mozdony ugyan működőképes volt, de a hatásfok és az üzemeltetési költségek tekintetében a korabeli elvárásoknál is rosszabban teljesített, ennek megfelelően rövid is volt pályafutása.

Itt el is gondolkodhatnánk egy pillanatra: mi történik egy dízel-pneumatikus mozdonyban? A dízelmotorban a táguló égéstermék a dugattyúkon végez munkát, melyet aztán sűrített levegő előállítására fordítunk, amely ismét egy munkahengerben fog munkát végezni. Nem lenne járható út, ha az égéstermék – egy kiegyenlítő tartály közbeiktatásával – maga végezne munkát a kerekeket hajtó hengerekben, vagy netán egy gázturbinában?

Igen, ezt is kipróbálták, és ez a megoldás sikeresebbnek is bizonyult. A svéd Götaverken efféle, gázfejlesztőből és gázturbinából álló gépcsoportokat gyártott elsősorban hajók számára. Itt a dízelmotor főtengelyéről egyedül a motor légsűrítője vett le munkát, és a motorból kikerülő égéstermék már a turbinában végezte a mozgatásra, vontatásra használható munkát. Az első vasúti alkalmazásra 1933-ban került sor. A Götaverken gépcsoportjához a NOHAB épített egy rudazatos hajtású, vakforgattyús mozdonyt, amelyben a gázfejlesztővel hajtott gázturbina tisztán mechanikus erőátvitellel hajtotta a tengelyeket. A mozdony jól teljesített a próbautakon, később pedig még egy meghajtott tengelyt kapott, hogy a kisebb tengelyterhelésű mellékvonalakon is közlekedhessen. Bár további példányokat nem építettek belőle, a Götaverken-gépcsoport még a vasúti pályafutás után is több, mint egy évtizedig szolgált egy vontatóhajó fedélzetén.

Később egyébként épült még hasonló elven működő mozdony, ugyancsak Götaverken-gépcsoporttal: az 1955-ös T1 (később T11), melynek járműszerkezeti részét a Motala Verkstad építette. A Motala később még egy gázturbinás mozdonyt épített (T7), ez azonban az 1958-ban szabadalmaztatott Geislinger-hajtást alkalmazta, melyben a dízelmotor és az égéstermékekkel hajtott turbina együttesen hajt egy hidraulikus átvitelt, és a saját égéskamrával is ellátott turbina csúcsterhelés idejére megnövelheti a vontatási teljesítményt.

A szabaddugattyús motor

Ha csak az a célunk, hogy nagy energiájú égésterméket állítsunk elő, nem feltétlenül kell ragaszkodnunk ahhoz, hogy a motornak forgattyústengelye legyen – feltéve, ha másképp is meg tudjuk oldani, hogy a dugattyúk újra és újra előállítsák az égéshez szükséges kompressziót. Ilyenek az úgynevezett szabaddugattyús motorok, melyekben:

• a dugattyúk mozgása továbbra is lineáris, de nem csatlakozik hozzájuk olyan mechanizmus, ami ezt pl. forgómozgássá alakítaná;
• a dugattyúk mozgását nem korlátozza forgattyústengely (így a lökethossz, és ezáltal a kompresszió is változhat, alkalmazkodhat az adott üzemanyaghoz);
• a dugattyúk az égéstermék tágulása után valamilyen elven (pl. gázpárna, ellenkező oldali égéskamra révén) visszatérnek eredeti helyzetükbe.

A szabaddugattyús motor működhet gázfejlesztőként, de a dugattyúk végezhetnek munkát is, pl. szintén lineáris mozgást igénylő kompresszorok, szivattyúk működtetésére, vagy egy lineáris generátor tekercseiben mágnesek mozgatására.

Gázturbinát tápláló szabaddugattyús gázfejlesztő elvi felépítése – az ötvenes években ez volt a legelterjedtebb változat. 1: szívónyílás, 2: légkamra, 3: üzemanyag-befecskendező, 4: égéstér, 5: visszatérítő gázpárna, 6: égéstermék kilépő nyílása, 7: nyomáskiegyenlítő tartály, 8: gázturbina

Az 1920-as években Raúl Pateras Pescara több efféle gépet szabadalmaztatott, és a „látnoki” ötlethez a mérnöki tudást adó Robert Hubernek köszönhetően hamarosan a gyakorlatban is használható szabaddugattyús motorok épültek. Feltűnő volt, hogy az addigra már megszokott, forgómozgást előállító hőerőgépekhez képest elenyésző gyakorlati tapasztalat mellett is milyen gyorsan beváltak a szabaddugattyús motorok: először kisebb méretű kompresszorokban, melyek legendásan kevés karbantartást igényeltek, majd nyugodtabb futású ellendugattyús elrendezésben nagyobb méretben, turbinához kapcsolt gázfejlesztőként is, elsősorban erőművekben, hajókon. 

Az első vasúti alkalmazás, a nagyjából ezer LE teljesítményű francia 040-GA, 1952-ben indult futópróbára. A mozdonyban egyetlen ellendugattyús gázfejlesztő táplált egy gázturbinát, amely mechanikus erőátvitellel hajtotta a jármű négy tengelyét. A futópróbák során a gázfejlesztő gázolajjal és pakurával is megbízhatóan üzemelt, az eredő hatásfok pedig a gázturbina alkalmazása ellenére sem maradt el túl sokkal a korabeli dízelmotorokétól, azaz nagyjából kétszerese volt annak, amire akkoriban egy egytengelyű gázturbinás mozdonynál (pl. amilyenek a GE gépei voltak) számítani lehetett. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy a szabaddugattyús motorok önmagukban kimagasló hatásfokot tudnak elérni: jobban kihasználják ugyanis a hőerőgépek Carnot-ciklusának elvi lehetőségeit, mint azt a forgattyústengelyes motorok kényszerei megengedik, valamint igen nagy, akár 50:1 körüli kompressziót is el tudnak érni.

A 040-GA sikere nyomán még két prototípus épült Franciaországban: két 060-GA. Ezekbe egyenként két, függetlenül üzemelő gépcsoportot építettek be, melyek egy-egy háromtengelyes forgóvázat hajtottak, szintén mechanikus áttétellel. Ekkorra már világszerte felfigyeltek a szabaddugattyús motorokban rejlő lehetőségekre; még a vasfüggöny innenső oldalán is kísérleteztek szabaddugattyús hajókkal, mozdonyokkal.

A „szabaddugattyús forradalomban” reménykedve Amerikában is számos nagy cég kapcsolódott be a kutatásba és fejlesztésbe, többek között a General Motors, amely megvásárolta az ezer LE-s francia SIGMA GS-34 licencét, de kisebb méretű, akár személyautóban is alkalmazható prototípusokat is készített, nagy mértékben Robert Huber terveire és szaktudására támaszkodva. A GM szabaddugattyús fejlesztésének központja a Cleveland Division volt, melyről azt érdemes tudni, hogy ez az egykori Winton cégből maradt fenn, miután a vasúti dízelmotorokat gyártó részleg az EMC, később az EMD részévé vált. Kézenfekvő lehet a kérdés: ha ennyire közel állt egymáshoz az EMD és a Cleveland Division, vajon tervezték-e az ígéretes gépcsoport alkalmazását mozdonyokban is?

Az EMD szabaddugattyús mozdonya: az FG9

Valóban, a GM-nél is dolgoztak szabaddugattyús mozdonyon: ez volt az FG9, amely messzemenően az akkoriban gyártott FL9-re támaszkodott, újrahasznosítva a járműszerkezeti részt, a segédüzemek jelentős részét és az erőátvitelt. A mozdony a szabaddugattyús gázfejlesztő egyik különleges változatát használta: a sokkal kisebb méretben, egy kísérleti személyautóban már kipróbált iker-elrendezést (siamesed gasifier), amelyben két ellendugattyús henger működött, pneumatikusan fenntartott ellenütemben. Ezek egy gázturbinát hajtottak, amely rögzített áttétellel hajtotta az akkoriban használt D12-es fődinamót (és D14-es segédüzemi generátort), valamint külön hajtással az akkumulátorokat töltő és a fődinamó gerjesztését adó segéddinamót.

Feltűnő, hogy az FL9-ből a villamos erőátvitelt is átörökítették: ezt egyetlen másik megépített szabaddugattyús mozdony sem alkalmazta (a három francia mozdony mechanikus, az egyetlen szovjet példány hidraulikus erőátvitelű volt). Ez új problémákat, de új lehetőségeket is jelentett. Lehetővé vált például, hogy a turbina fordulatszámát a maximális hatásfokú tartomány környékén tartsák – ezt elegáns módon a fődinamó gerjesztését állító terhelésszabályozó „újrahasznosításával” oldották meg, melyet csak üresjárat idején váltott fel a röpsúlyos fordulatszám-szabályozás. Gondoltak olyan esetekre is, amikor rövid idő alatt ki kell iktatni a turbina táplálását (pl. a turbina túlpörgése, kerekek kipörgése, soros-párhuzamos átkapcsolás esetén): ilyenkor gyors bypass-szelepek vezették el a továbbra is futó gázfejlesztő égéstermékét a turbina megkerülésével.

A mozdony teljesítményét lényegében a gázfejlesztő teljesítményének vezérlésével lehetett beállítani (igen, szándékosan nem szabályozást írtam). Ennek megértéséhez fontos tudni, hogy a gázfejlesztő tulajdonképpen nem csak az égésterméket továbbította a turbina felé, hanem az égéshez elősűrített levegő jelentős részét is (ezért pl. jóval hidegebb volt a turbinában áramló közeg, mint az egytengelyű gázturbinákban, így nem kellett drága hőálló ötvözeteket alkalmazni). Ez lehetővé tette a gázfejlesztő üzemének két tartományra bontását is:

• alacsonyabb teljesítménytartományban a gázfejlesztő megkapta a folyamatos működéshez minimálisan szükséges üzemanyag-mennyiséget, és a leadott teljesítményt az elősűrített levegő visszaáramoltatásának mértékével lehetett állítani;
• magasabb teljesítménytartományban az elősűrített levegő fel nem használt része teljes egészében a turbinára került, és a teljesítményt az üzemanyag adagolásával lehetett állítani.

A teljesítmény akár fokozatmentesen is állítható volt – a szabadalmaztatott megoldás ezt tükrözi vissza –, de könnyen megoldható lett volna a dízelmotorokhoz hasonlóan diszkrét teljesítményfokozatok beállítása (így akár dízelmozdonyokkal csatolva is működhetett volna), és a valódi, zárt hatásláncú teljesítményszabályozás is.

Az FG9 (lent) messzemenően az FL9 (fent) járműszerkezetére, erőátvitelére és segésüzemeire támaszkodott. 1: dízelmotor (EMD 16-567C), 2: fődinamó és segédgenerátor (EMD D12+D14), 3: vontatómotorok (EMD D37), 4: segéddinamó, 5: légsűrítő, 6: egyenáramú motorral hajtott segéd-légsűrítő, 7: szabaddugattyús gázfejlesztő (GM-214), 8: gázturbina és áttétel

A főgépcsoport és az erőátvitel összehangolását és a teljesítmény irányítását szemmel láthatóan jól megoldották; ezt igazolja az 1957-ben benyújtott és 1960-ban elfogadott szabadalom is. Egy műszaki megoldás piacképességét azonban végsősoron az üzemeltetés költségei szabják meg, különösen ott, ahol a vasút nem bízhat a véges, de tetszőlegesen mélyíthető állami üvegzsebben. Nos, az ötvenes évek végén ebből a szempontból is kedvezőnek tűnt a helyzet: akkoriban még jelentős volt az árkülönbség a gázolaj és a rossz minőségű, esetenként sok ásványi maradvánnyal szennyezett nehézolajok között. Ez a különbség akkora volt, hogy a Union Pacific például még azt is kifizetődőnek találta, hogy az olcsó pakurát egytengelyű gázturbinával működő mozdonyokban tüzelje el – ezeknek az eredő hatásfoka optimális kihasználtság mellett is közelítőleg fele volt a korabeli dízelmozdonyokénak. Ebben a helyzetben rendkívül ígéretes lehetett egy olyan mozdony, amelyik ugyanúgy működhet az olcsó „bunker C” olajjal, csak éppen majdnem kétszer olyan jó hatásfokkal, mint ami az akkor már üzemben levő GE gépeket jellemezte. Nem csoda, hogy a Union Pacific komoly érdeklődést mutatott az FG9 iránt – olyannyira, hogy 1959 elején már a tengelyterhelés és az űrszelvény korlátozásait egyeztették az EMD-vel.

Végül azonban az FG9 sorozatgyártására nem került sor. Az eddig fellelt irodalomból nem határozhatók meg egyértelműen az okok, de élhetünk néhány többé-kevésbé megalapozott feltételezéssel. Ekkortájt a GM a szabaddugattyús gázfejlesztőket egy hajó, a William Patterson fedélzetén is tesztelte, és a hosszú kíséretezés és számos átépítés után ugyan működőképes és a dízelhajtással összevethető költségű megoldást kapott, néhány üzemi tapasztalat azonban megkérdőjelezhette a vasúti alkalmazás jövőjét:

• A kipufogó-oldali hangtompítás ugyan kevés gondot jelentett (nagyrészt a nyomáskiegyenlítő tartályoknak és a turbinának köszönhetően), ám ez korántsem volt igaz a szívóoldalra. A William Patterson esetében két alapos áttervezés után tudták csak elviselhető szintre csökkenteni a szívózajt (emlékezzünk arra, hogy itt hengerenként ezer LE körüli teljesítményről volt szó), és megakadályozni azt, hogy a szomszédos hengerek egymás elől szívják el a levegőt. Az ehhez szükséges térfogat messze meghaladta a nagyvasúti űrszelvény korlátait.
• Több turbina és több gázfejlesztő közös rendszerre kapcsolása ugyan elegáns ötlet, de a gyakorlatban sokszor tapasztaltak lebegést, azaz a közel azonos frekvencián üzemelő gázfejlesztők interferenciáját, ami hátrányosan hat az általuk táplált turbinák leadott teljesítményére és mechanikus igénybevételére. Ez a vasúton is megnehezítené az olyan nagyteljesítményű vontatójárművek alkalmazását, amelyekben egy turbinát több, függetlenül üzemelő gázfejlesztő táplálna – illetve megoldandó volna a gázfejlesztők szinkronizált üzeme. Ez manapság elektronikus úton már reális, ám az akkori irányítási eszközökkel nehézkes, jóformán lehetetlen volt, csak a közvetlenül egymáshoz épített ikerhengeres elrendezésben akadt rá példa.
• Az üzemeltetési költségek különösen a technológiával kapcsolatos tapasztalat hiánya miatt lényegében azonosak voltak a hagyományos dízelmotorokéval. Hiába volt ígéretes a szabaddugattyús motor, a dízelmotorok addigra elért helyzeti előnye jóformán lehetetlenné tette a belátható időn belüli áttörést a működési és fenntartási költségek terén.

Hosszútávon várható volt az is, hogy az olajipar előbb-utóbb szert tesz azokra a tapasztalatokra, amikre alapozva az ötvenes években még olcsó, rossz minőségű lepárlási maradékokból is jobb minőségű üzemanyagot tud előállítani. Ez a folyamat a hatvanas évek elején már szemmel láthatóan megkezdődött – az évtized végére a UP a gázturbinás gépeinek javarészét pusztán gazdaságtalanságuk miatt állította le. Ilyen környezetben előbb-utóbb még a jóval kedvezőbb hatásfokú gázfejlesztős-gázturbinás mozdonyok is gazdaságtalanná váltak volna.

A szabaddugattyús motorok a hatvanas években más területekről is fokozatosan eltűntek. Ez a gazdasági szempontok mellett annak is köszönhető, hogy a terület legnagyobb szakembere, Robert Huber 1964-ben nyugdíjba vonult, és nem akadt méltó utód, aki vele összemérhető elméleti tudással, áttekintéssel és tapasztalattal rendelkezett volna a szabaddugattyús motorok területén. Szakmai pályafutása utolsó jelentős eredménye egy kisebb teljesítményű szabaddugattyús motor terve volt, amely pusztán lineáris mozgással közvetlenül állított volna elő elektromos energiát – csaknem húsz évbe tellett, mire ez a lehetőség a terület más kutatóiban is kellően tudatosult.

Episode Four: A New Hope

Azt hinnénk, hogy a szabaddugattyús motor kora leáldozott, az ötvenes években sokszor emlegetett „szabaddugattyús forradalom” véget is ért, mielőtt egyáltalán elkezdődött volna. Nos, vannak azért mérnökök, akik más véleményen vannak.

A nyolcvanas évek óta többször kerültek a figyelem középpontjába a lineáris generátorral összekapcsolt szabaddugattyús motorok, elsősorban olyan elrendezéseik, melyekben egy dugattyút két égéstér mozgat. Ez az ún. „double-acting” típus, amely igen kevés mozgó alkatrészből áll, és a közvetlenül hozzá csatolt generátorral együttes eredő hatásfoka, legalábbis elvileg, messze meghaladhatja bármelyik mai belsőégésű motorét.

Bőven vannak még megoldatlan problémák, azonban kézenfekvő, hogy a mai gyors mikrokontrollerek a motorhoz csatolt lineáris generátoron keresztül és a máshol már elterjedt elektronikus szelepvezérléssel képesek lennének akár valósidőben is olyan finoman szabályozni egy szabaddugattyús motor működését (akár több henger mozgását is szinkronizálva), ahogy az az ötvenes években gyakorlatilag kivitelezhetetlen lett volna. További lehetőségek rejlenek a miniatürizálásban is – ezen a téren a lineáris generátort működtető szabaddugattyús motorok akár az üzemanyagcelláknak is komoly konkurenciát jelenthetnek.

Talán azt is megérjük még egyszer, hogy egy terepasztalon egy tehervonat élén épp egy FG9 modelljével találkozzunk, amit egy benzinnel vagy öngyújtógázzal üzemelő, miniatűr szabaddugattyús generátor hajt?