Alternativní pohony
18. 4. 2007
V polovině února 2007 Evropská komise vyhlásila boj za výrazné snížení emisí oxidu uhličitého, nebezpečného skleníkového plynu, z automobilových motorů. Jak splnit přísný evropský limit 120 gramů CO2 na jeden kilometr? Především se musí snížit spotřeba paliva. Prof. Jan Macek z Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka na ČVUT v Praze nám ukáže, jak si můžeme pomocí jednoduchého výpočtu zjistit u svého vozu emise CO2 na jeden kilometr. Pak se vypravíme do oblasti, která bude dříve nebo později hrát velkou roli: zaměříme se na alternativní pohonné systémy. Přiblížíme je na příkladu prvního sériového vozu s hybridním pohonem – Toyota Prius a nahlédneme do laboratoře pražského ČVUT.
Symbol volnosti, prostředek k pohybu bez omezení na nejrůznějších místech naší planety. To je automobil. Za jediné století své existence zcela změnil způsob našeho života, podstatně přispěl k rychlému rozvoji technické civilizace.
Severojižní spojka v Praze. Je po čtvrté odpoledne, nastává pravidelný dopravní kolaps. Kolona popojíždí krokem celých deset kilometrů. Kolik pohonných hmot tento jediný kolaps spotřebuje? V pravém pruhu jsou kamiony. Na 100 metrů přibližně 4 vozidla. Na deseti kilometrech je to tedy 400 kamionů. Osobní nebo užitkové vozy plní dva pruhy. Asi 10 aut na 100 metrů. Celkem – 2000 vozů.
A teď spotřeba. Jeden kamion spotřebuje při popojíždění – tedy téměř běhu naprázdno – asi 5 litrů paliva za hodinu. 400 kamionů za 3 hodiny zácpy spálí 6000 litrů nafty. Osobní vůz spotřebuje při popojíždění asi litr paliva za hodinu. 2000 vozů za 3 hodiny zácpy spálí dalších 6000 litrů. Jediný dopravní kolaps na jediném úseku pražské komunikace si vyžádá 12 000 litrů vyplýtvaného paliva. Přitom však vznikne 30 000 kilogramů oxidu uhličitého.
Oxid uhličitý jako skleníkový plyn výrazně přispívá k oteplování atmosféry Země. Vědci z evropského projektu EPICA už před dvěma lety analyzovali nepatrné bubliny vzduchu, uchované hluboko uvnitř antarktického ledu. Zjistili, že koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře Země je nejvyšší za posledních 650 000 let. Vzrůst emisí oxidu uhličitého odstartovala průmyslová revoluce. Dnes jsou jejich hlavím zdrojem tepelné elektrárny. Doprava se na emisích podílí asi jednou pětinou.
Nejvíce oxidu uhličitého se uvolní při spalování benzínu a nafty. Ovšem na stejné množství poskytnuté energie z uhlí vznikne pětinásobek emisí. Žijeme na planetě automobilů. Evropa – 180 miliónů aut. Celý svět – víc než 650 miliónů vozidel. Jejich spalovací motory chrlí milióny tun oxidu uhličitého ročně. Co s tím můžeme dělat?
Polovina února 2007. Evropská komise v Bruselu vyhlašuje boj za snížení emisí CO2 z motorových vozidel. Nový zpřísněný limit pro rok 2012 zní: Maximálně 120 gramů oxidu uhličitého na ujetý kilometr. Dnešní průměr je 200 gramů. A velké vozy typu SUV nebo off-roady vypouštějí dokonce i přes 300 gramů na kilometr jízdy! Jak splníme nový limit? Především snižováním spotřeby paliva. Čím nižší spotřeba, tím méně emisí. Jenže není to vůbec snadné.
Evropská federace pro dopravu a životní prostředí sestavila žebříček automobilek podle emisí oxidu uhličitého. Jde o průměr ze všech vyrobených vozů dané značky za rok 2005. Špičku představuje italský FIAT, následují francouzské vozy Citroen a Renault, čtvrtý je španělský SEAT a na pátém místě shodně Peugeot a Ford. Na šestém místě je naše Škoda. Nová Fabia se svým úsporným motorem 1,2 HTP už dnes s náskokem splňuje limit pro rok 2008. Vypouští jen 120 gramů CO2 na kilometr. Přesto v celkovém průměru všech prodávaných modelů zatím škodovka svým úspěšnějším konkurentům nestačí. Musí snížit spotřebu především u větších modelů.
Konstruktéři se snaží zvýšit účinnost motoru, aby co nejvíc energie, obsažené v palivu, se využilo k pohonu vozidla. Je třeba snižovat třecí a tepelné ztráty motoru. Proto jsou výhodné motory s menším počtem válců.
Prof. Ing. Jan Macek, DrSc., vedoucí Výzkumného centra Josefa Božka, Fakulta strojní ČVUT v Praze: Z toho důvodu se také dnes u mnoha firem setkáme s tříválcovými motory. A to je cesta, kterou nastoupila i Škodovka.
A další možnosti, jak snížit spotřebu?
Prof. Ing. Jan Macek, DrSc., vedoucí Výzkumného centra Josefa Božka, Fakulta strojní ČVUT v Praze: Můžeme snížit jízdní odpory. Ty jsou velice závislé na hmotnosti vozidla. Což je dobré pamatovat si i pro praktický život. Protože vozit sebou v autě zbytečné předměty znamená platit za spotřebu paliva.
Nižší spotřebu mají samozřejmě vozidla, která sama jsou lehčí. Jenže odlehčená konstrukce vozidla zhoršuje pro změnu jeho pasivní bezpečnost – schopnost ochránit posádku při nárazu. Protichůdným požadavkům na konstrukci nových automobilů se budeme věnovat v některém z příštích PORTů.
Jsme v jedné z laboratoří na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Už řadu let se zdejší specialisté věnují využití plynných paliv – hlavně zemního plynu pro spalovací motory. Při jeho spálení vzniká méně oxidu uhličitého. Především u motoru, jehož účinnost odpovídá motoru na benzín.
Prof. Ing. Michal Takats, CSc., Výzkumné centrum Josefa Božka, Fakulta strojní ČVUT v Praze: Funkční vzorek motoru, u něhož máme ambice takovouto dobrou účinnost dosáhnout, je zde právě k vidění. Motor je umístěn na motorovém brzdovém stanovišti, řízeně zatěžován dynamometrem, který umožňuje provádět výzkum v předem definovaných režimech. Používáme intenzivní recirkulaci ochlazených výfukových plynů. Teď zrovna se tady vedou úvahy na téma, jak zvýšit intenzitu chlazení. Na tomto motoru například teď zkoušíme přídavek vodíku k zemnímu plynu, zejména při nižším zatížení motoru tak, abychom i v tomhle režimu minimalizovali emisi oxidu uhličitého.
Množství vypouštěného oxidu uhličitého tedy závisí na množství uhlíku v palivu. Toto je poměr uhlíku a vodíku v benzínu, nafta má víc uhlíku a tedy i emisí CO2. Lépe vychází spalování zemního plynu. Emise obsahují o poznání méně oxidu uhličitého. Použití stlačeného nebo zkapalněného plynu však přináší technické a váhové potíže pro vozidla. Palivo zabere větší část užitečné hmotnosti.
Alternativou ke klasickým palivům jsou biopaliva. Alkoholy z cukru nebo škrobu však mají nízkou výhřevnost, bionafta ucpává filtry sazí. Biopaliva jsou výhodná, pokud jde o emise oxidu uhličitého. Uhlík, uvolněný při spalování, se v příštím vegetačním období opět naváže do rostlin.
Osobitý vzhled a jedinečná aerodynamika jako nezbytná součást v úsilí o co nejnižší spotřebu – to je Toyota Prius. Při pohledu zespodu upoutá silná ochranná lišta, skrývající elektrické kabely. Ty vedou proud od hlavního akumulátoru k pohonnému elektromotoru. Toyota Prius totiž není běžný osobní vůz. Je to první sériově vyráběný automobil s hybridním pohonem. K pohonu využívá kombinace spalovacího motoru a elektromotoru.
Zveme vás na projížďku. Zmáčknutí vypínače a probudí se celý systém řídicí elektroniky vozu. Že neslyšíte motor? Správně. Prius se totiž rozjíždí jako elektromobil. Zdrojem energie je akumulátor. Právě při rozjezdech a popojíždění po městě mají běžné spalovací motory největší spotřebu a tedy i emise oxidu uhličitého. Při běžné jízdě nad 45 km/hod. se k elektromotoru přidává i benzínový čtyřválec, který pohání vozidlo a zároveň dobíjí akumulátor. Když Prius potřebuje plný výkon, pomáhá spalovacímu motoru i elektromotor. Naopak při jízdě z kopce a dojíždění ke křižovatce se spalovací motor vypne a vůz využívá brzdění k dobíjení akumulátoru. Prius tedy nepotřebuje žádné nabíjení ze zásuvky.
Mnohem víc zajímavostí kolem alternativních pohonů najdete na internetových stránkách.
Autor: Vladimír Kunz