 Automobilový průmysl musí řešit rozpor mezi rostoucími požadavky
lidstva na individuální mobilitu, a to zejména v rozvojových zemích, na
jedné straně a její trvalou udržitelností nejen z hlediska
vyčerpatelných zdrojů energie, ale i emisí, hluku a bezpečnosti i
dostupnosti včetně řešení propustnosti komunikací na straně druhé.
Těmito podmínkami je ovlivněn i výzkum budoucích automobilových motorů.
Cílem u osobních automobilů, u nichž není obvykle významně proměnlivá hmotnost nákladu, je snížit dráhovou spotřebu paliva, tj. spotřebu v litrech/100 km (dm3/100 km), a příslušné emitované škodliviny. Pokud mluvíme zjednodušeně o motorech, nemáme na mysli zdaleka jen běžné motory spalovací. Do „emisí“ se dnes často zahrnuje i nejedovatý skleníkový plyn oxid uhličitý. Produkce oxidu uhličitého v motoru je závislá jen na spotřebě paliva a druhu použitého paliva, takže snižování spotřeby jednoznačně snižuje jeho emisi. Přechodem na paliva s menším množstvím uhlíku, vázaného do paliva v dávné minulosti (jako je zemní plyn), s uhlíkem vázaným nedávno z atmosférického vzduchu (biopaliva) nebo dokonce bezuhlíková (jako by byl vodík) lze zvyšování obsahu oxidu uhličitého v atmosféře omezit.
 Hybrid není pouze elektrický přenos
Chceme-li zajistit jízdní výkon, daný požadavkem na pokrytí odporů vozidla při dané rychlosti včetně odporu stoupání a „odporu“ proti zrychlování vozidla, pokud chce řidič akcelerovat, musíme realizovat celý řetěz energetických přeměn. Jeho počátkem je výroba a uskladnění energie ve vozidle. Přes přeměnu části uskladněné energie na okamžitý požadovaný mechanický nebo elektrický výkon (v „motoru“) se dostaneme až k vytvoření mechanické síly při dané rychlosti pohybu na kolech vozidla. Pokud je možné doplňovat i během jízdy zásoby energie ve vhodných akumulátorech, mluvíme o hybridním systému. Hybridem se tudíž nerozumí pouhý elektrický přenos výkonu. Uskladnění prvotního zdroje energie ve vozidle je dnes i v budoucnosti zajistitelné výhradně ve formě chemické (paliva) nebo elektrochemické (akumulátory) energie, snad i přímo ve formě elektrické energie (jako elektrický náboj superkondenzátoru). K výrobě, uskladnění a distribuci tohoto paliva se spotřebovává energie, v případě ropných paliv nepříliš významná (vztaženo na energetický obsah paliva samotného), v případě zemního plynu nebo biopaliv již významnější – porovnatelná s vlastním energetickým obsahem paliva v nádrži (sklizeň plodin a vlastní výroba biopaliv, stlačení nebo zkapalnění plynů), v případě nabíjení akumulátorů dvojnásobně až šestinásobně větší než energie uskladněná, při použití vodíku zhruba pěti až dvacetinásobně větší, než je energetický obsah vodíku v nádrži vozidla.
- -
Hybridní koncepce pohonu
Hmotnost palivové ,,nádrže“ zvyšuje jízdní odpory vozidla a snižuje horní mez užitečného nákladu. Prostřednictvím jízdních odporů pak působí zpětně na dráhovou spotřebu paliva. Objem snižuje rovněž užitnou hodnotu vozidla (dnes typicky menší zavazadlový prostor) a může mít vliv na aerodynamický odpor vozidla. Na druhé straně mohou být některé „palivové nádrže“ doplňovány i za jízdy tím, že umožňují dobíjení během brzdění vozidla, jízdy po spádu atp. Konkrétně jde o elektrické akumulátory – ovšem s omezeným výkonem nebo účinností, v budoucnosti půjde o zatím velmi drahé superkondenzátory nebo setrvačníkové či tlakové akumulátory. V tomto případě jde již o hybridní koncepce pohonu.
Spalovací motory ještě dvacet let
Vlastní motor přetváří ve vozidle uloženou energii na jízdní výkon. Pokud se tak děje z chemické energie paliva, existuje možnost použít spalovací motor nebo tzv. palivový článek. Jakkoli se o palivových článcích hodně mluví jakožto o budoucím pohonu vozidel, je to budoucnost velmi vzdálená. Palivové články realizují, zhruba řečeno, „obrácenou elektrolýzu“. V nízkoteplotní variantě s vodou jakožto produktem energetické přeměny paliva na „spaliny“ se používá protonově propustná membrána (PEM), oddělující obě elektrody článku a nutící elektrony téci elektrickým obvodem, kde konají práci. Tyto články umožňují s dobrou účinností používat jako palivo jedině vodík a pro realizaci řízeného (málo ztrátového) nízkoteplotního procesu slučování vodíku s kyslíkem za vzniku elektrického výkonu potřebují dosud poměrně hmotné platinové katalyzátory, které spolu s dalšími (asi překonatelnými) technologickými problémy navyšují jejich cenu, která dnes dosahuje více než tisícínásobek ceny běžného benzinového zážehového motoru a při sériové výrobě může snad klesnout na dvaceti až padesátinásobek současné ceny motoru.
Spalovací motory mají proto svou budoucnost pro nejméně příštích dvacet let jistou. I když jejich principy se pravděpodobně nezmění po termodynamické ani mechanické stránce, jejich provedení doznává již nyní podstatné změny. Použitý spalovací proces ovlivňuje silně účinnost, produkci emisí i cenu motoru. Jak je v přírodě i v technice obvyklé, jde vždy o kompromis mezi výhodami a nevýhodami.
MOTORY - výhody/nevýhody
Zážehové
Zážehové motory ve dnes nejčastějším nepřeplňovaném provedení mají výhodu v nízké ceně, a to včetně velmi účinného a relativně levného systému na odstraňování emisí pomocí tzv. trojcestného (oxidačně-redukčního) katalyzátoru. Využívají hořlavou směs s právě nezbytným množstvím vzduchu pro dokonalé spálení paliva bez kyslíku zbylého ve výfukových plynech (stechiometrická směs, přebytek vzduchu zkracovaný jako lambda = 1). Za tyto výhody se platí poměrně špatnou účinností, danou nejen nízkým kompresním poměrem, ale hlavně nutností snižovat množství směsi nasáté do válce při nízkém zatížení pomocí škrcení známou klapkou, což významně přispívá k vysoké spotřebě paliva zejména v městském provozu. Zážehové motory se snadno přestavují na plynná paliva a na alkoholy (biolíh).
Vznětové
Vznětové motory dosáhly již před mnoha lety měrného výkonu, srovnatelného se zážehovými, v důsledku hromadného zavedení přeplňování, a to přes nižší dosažitelné otáčky omezené robustní konstrukcí klikového mechanismu. Díky této koncentraci výkonu a vysokému kompresnímu poměru je jejich účinnost výrazně vyšší než u zážehových motorů, a to zvláště v nízkých zatíženích, kde dokáží spalovat malé dávky paliva ve velkém množství vzduchu. Produkují však ve výfukových plynech větší množství malých prachových částic (sazí pokryté dalšími látkami z nedokonalého spalování), které vyvářejí jistá hygienická rizika, i když jejich hmotnost klesla na více než desetinásobek původně produkovaného množství a jsou málo viditelné jako kouř (svýjimkou krátkých přechodových režimů). Neklesl však jejich počet a při svých nanometrových rozměrech jsou živými organismy snadno vstřebávány. Cenově jsou vznětové motory s ohledem na drahé vysokotlaké vstřikovací zařízení a zařízení pro zneškodňování spalin dražší. V USA jsou s ohledem na nízkou kvalitu tamější motorové nafty i jisté tradiční předsudky nepříliš dobře přijímány zákazníky.
Zvýšení účinnosti motoru samotného je sice ještě možné, ale vede při s tím souvisejících vyšších teplotách v plameni k vyšší tvorbě oxidů dusíku. Bez současných opatření proti jejich tvorbě v motoru nebo pro jejich odstranění za motorem není proto navýšení účinnosti průchodné. Základní vývojové tendence současných motorů jsou proto dány následujícími směry: snahou o snížení podílu mechanických a tepelných ztrát v pracovním procesu motoru, zrovnoměrněním teplotního pole ve válci během spalování pro omezení tvorby oxidů dusíku (případně prachových částic, sazí) na jedné straně a produktů nedokonalého spalování (nespálených uhlovodíků, jedovatého oxidu uhelnatého – ne uhličitého) na straně druhé. Pokud má být motor provozován v široké oblasti otáček a zatížení, typické pro vozidla s mechanickou převodovkou, přibývá i odstranění ztrát v důsledku škrcení (tedy jednoduché, avšak ztrátově nevhodné regulace motoru), zlepšení účinnosti zmenšením a tím zvýšeným zatížením motoru a konečně zavedením pružného, přizpůsobivého a předvídajícího řízení motoru.
Snižování velikosti motoru
Největší potenciál zvýšení účinnosti je v omezení podílu ztrát málo závislých na zatížení, tj. části mechanických a většinu tepelných ztrát v důsledku chlazení. Cestou k tomu je zmenšování motorů daného výkonu (downsizing) pomocí přeplňování, tedy naplnění menšího válce stejným množstvím směsi o vyšší hustotě. To je zvlášť významné u osobních automobilů bez hybridizace, kde motory pracují většinu doby s výkonem podstatně menším než je jejich jmenovitý. Alternativou zmenšování je odpojování části válců při nízkém zatížení motoru. Intenzivně se studují i výhody intenzifikace výkonu návratem ke dvoudobému pracovnímu oběhu, samozřejmě s vyplachovacím dmychadlem na čistý vzduch mimo klikovou skříň, tedy bez problémů s mazáním do směsi a bez úniku nespálené směsi do výfuku. Při čistě ventilovém řízení výměny náplně je možné i přepínání mezi oběma čtyřdobým a dvoudobým oběhem. Dvoudobý motor se ukazuje jako obecně výhodný při nízkých otáčkách a velkém zatížení. Vedlejším efektem jakéhokoli snižování velikosti motoru, je jeho nižší hmotnost, která se příznivě projevuje na jízdních odporech.
Očekávaná navýšení výkonu čtyřdobého motoru proti nepřeplňované variantě jsou i u osobních automobilů čtyř až pětinásobná pro vznětové motory, dvou až trojnásobná pro zážehové motory, kde je výkon omezen detonačním spalováním za plného výkonu, které by bylo pro motor fatální. Vysoké stupně přeplňování vyžadují však velmi pružné řízení plnicího tlaku, zejména použitím variabilního průřezu turbinového rozváděcího kola nebo postupným zapojováním turbodmychadel (např. ve formě dvoustupňového přeplňování), případně v kombinaci s mechanicky nebo elektricky hnanými kompresory. Problémy se zpožděnou reakcí motoru na požadavek vyššího momentu lze tímto způsobem účinně překonat. Zejména u zážehových motorů je ovšem nutné snižovat skutečný kompresní poměr při vysokém zatížení, což je možné jak použitím variabilního ovládání rozvodu časováním i zdvihem ventilů – např. Atkinsonův oběh s pozdním zavřením sacího ventilu, tak případně doplněním klikového mechanismu o další prvky, umožňující změnu polohy pístu v horní úvrati.
Samozřejmostí bude u všech motorů pružná regulace okamžiku zážehu nebo vznětu se zpětnou vazbou na průběh spalování. Tímto způsobem lze omezit i vliv změn kvality paliva na motor, což je důležité pro plynná i kapalná alternativní paliva (např. biopaliva).
V nízkých zatíženích motoru se již dnes připouští detonační spalování (tj. tvrdé klepání, spálení směsi v celém objemu válce najednou), a to připravené směsi s velkým přebytkem vzduchu, kdy teplota stoupá v celém objemu válce rovnoměrně. Tyto tak zvané CAI anebo HCCI motory lze odvodit vhodnou regulací jak ze zážehových, tak vznětových motorů. Účinnost v nízkém zatížení bez škrcení před motorem je dosti velká, motor však vyžaduje zvláštní opatření pro stabilizaci chodu výrazným zvýšením teploty náplně (např. proměnlivým časováním ventilů pro dostatečně „špatné“ odstranění spalin) a vysokým kompresním poměrem, který je pak při vysokém zatížení zapotřebí snížit. Vytvoření homogenní směsi je možné použitím přizpůsobivého vstřikovacího zařízení akumulačního typu (common rail), a to jak u zážehových, tak vznětových motorů. Ve druhém případě se používá rozdělení vstřiku do několika dávek, v budoucnosti kombinované asi s přepínáním velikosti a směru osy otvůrků vstřikovací trysky. Pro odstranění nespálených uhlovodíků stačí oxidační katalyzátor. Méně účinně lze zápalnost neškrcené směsi při nízkém zatížení zajistit i jejím vrstvením spolu s posílením energie zážehu (např. krytým jiskřištěm svíčky). Tato nehomogenita vede však k vyšší produkci oxidů dusíku, které je vzhledem k přítomnosti kyslíku ve spalinách obtížnější odstranit.
Seřízení zejména vznětového motoru na vysokou účinnost je možné, pokud se použijí moderní metody odstraňování oxidů dusíku za přítomnosti kyslíku tzv. selektivní katalytickou redukcí s použitím amoniaku (resp. jeho vytvoření z vodného roztoku močoviny). Tento postup se již osvědčil u autobusů. Snižuje současně i produkci sazí (částic) jejichž zbytek lze zachytit prachovým, obvykle keramickým filtrem. Opačný postup, tj, seřízení motoru na velkou produkci sazí a nízkou produkci oxidů dusíku sice nevyžaduje přídavek druhého činidla pro ošetření výfukových plynů, prachový filtr musí však být poměrně velký a často regenerovaný za vysoké teploty výfukových plynů. Takto seřízený motor má podstatně horší účinnost. Motory pro osobní vozidla mohou mít zásobu roztoku močoviny, dostačující v době mezi výměnami oleje. Zlepšení spotřeby paliva se selektivní katalytickou redukcí činí 7 – 10%. Konkurenční a levnější metodou je zachycovač oxidů dusíku kombinovaný s trojcestným katalyzátorem, který je rovněž čas od času zapotřebí regenerovat spalinami bohaté směsi. Zachycovač je však citlivý i na pouhé stopy síry v palivu a tudíž je nevhodný zejména pro evropskou motorovou naftu, do jisté míry i pro evropské benzíny.
Co se mechanické části motorů týče, nepodařilo se dosud najít jednoznačně výhodnou variantu ke klikovému mechanismu (a to ani s hydraulickými či elektrickými přenosovými prvky) přes četné pokusy v tomto směru. Přispívá k tomu fakt, že bylo dosaženo značného pokroku v omezování třecích ztrát klikového mechanismu pokročilou tribologií pístu (s maximálně omezenými plochami pokrytými olejovým filmem) a hlavně tribologií pístních kroužků, jejichž počet je snížen na 2 – 3. Jejich vynikající těsnicí vlastnosti umožňují dosažení bezkonkurenčně vysokých maximálních tlaků oběhu, spojených s přeplňováním a vysokým kompresním poměrem, a odsouvají tím objemové motory s rotačním nebo krouživým pohybem „pístu“ (např. Wankelova), pro něž je typická nutnost utěsnění rohové spáry, jen do oblastí výjimečného použití.
Budoucí motory
Je zřejmé, že budoucí motory pro proměnlivá zatížení lze charakterizovat vysokým stupněm přeplňování s měnitelným plnicím tlakem, tvořením směsi přizpůsobitelným požadovanému výkonu i použitému palivu, skoro homogenním spalováním v nízkém zatížení s velkým podílem zbytkových spalin. Dostatečně pružné řízení vyžaduje měnit většinu parametrů, dnes ještě často považovaných za dané, zejména kompresní poměr, časování a zdvih ventilů, obsah spalin v čerstvé náplni, počet i směrování paprsků vstřikovaného paliva, tlak a časování vstřiku včetně jeho dělení do více dávek, podmínky činnosti zařízení na odstraňování emisí a možná i zdvih pístu nebo počet zdvihů na jeden pracovní oběh (přepínání ze čtyřdobého na dvoudobý oběh). U motorů pro hybridní vozidla se podle stupně hybridizace tyto požadavky omezují až na oblast blízkou absolutnímu optimu účinnosti. Veškeré řízení se bude dít nejen na základě předem stanovených závislostí, ale přizpůsobitelně stavu motoru a typu paliva, tedy s využitím zpětné vazby podle dosažených parametrů motoru. Kromě toho se budoucí regulátory konstruují jako předvídavé, používají vlastně vestavěný model motoru a dokáží tedy svou reakci v řádu desetin sekundy korigovat podle očekávaného chování motoru. To je důležité např. při kompenzaci prodlevy reakce turbodmychadla. Lze očekávat i rozšíření již dnes povinné automatické diagnostiky stavu motoru a přenosového řetězce pro přizpůsobení řídicích algoritmů jeho okamžité kondici, zvyklostem a požadavkům řidiče, charakteru projížděné trati i momentálního provozu.
Obecně je nynější vývoj pístových motorů s vnitřním spalováním charakteristický optimalizovanou kombinací již dříve zkoušených principů. Spolu s aplikacemi popsaných kombinací mechanických a elektronických řídicích systémů – mechatroniky - vede tento proces ke stírání klasických rozdílů mezi motory novými kombinacemi základních principů, mezi nimiž se přepíná podle otáček a zatížení. V optimu mohou dosáhnout budoucí motory zlepšení spotřeby paliva o 5 – 10%, mimo optimum podstatně více, při nízkém zatížení až o polovinu.
Pro dráhovou spotřebu paliva se však z těchto údajů nedají vyvozovat jednoznačné závěry, pokud nebereme v úvahu vliv přenosu výkonu a režimy typické pro provoz motoru v daném vozidle. Zde se ukazuje, že hlavní vliv má výkon motoru přiměřený ke hmotnosti vozidla a možnost motor vyřadit z provozu v režimech malé potřeby výkonu. To nahrává použití hybridizace. V úvahu je ovšem třeba nakonec vzít ekonomické parametry, a to nejen cenu nových zařízení samotných, ale i důsledky změny konstrukce zmenšeného motoru, dimenzovaného na vyšší mechanické i teplotní zatížení, a drahé akumulátory s elektrickými točivými stroji i potřebnou řídicí polovodičovou výbavou. K usměrnění zájmu většiny zákazníků jsou zapotřebí daňová a legislativní opatření, samotnými technickými výhodami se bohužel nová řešení prosadit nedokáží. TEXT Prof. Ing. Jan Macek, DrSc., ČVUT v Praze, fakulta strojní, Výzkumné centrum Josefa Božka
FOTO Honda, Toyota |
