Alternativní pohony
16. 1. 2008
Stále nové zprávy klimatologů potvrzují už známou skutečnost: nastávají klimatické změny a člověk se na jejich nástupu podílí velkou měrou. Jedním ze zdrojů skleníkového plynu oxidu uhličitého je doprava, přesněji spalovací motory. Jak omezit jejich emise? Vypravíme do oblasti, která v budoucnu může hrát stále významnější úlohu, do oblasti hybridních pohonů. Nejprve si zblízka prohlédneme první sériovou luxusní limuzínu, vybavenou nejen hybridním pohonem, ale i špičkovou řídicí elektronikou – Lexus LS 600h. Pak vstoupíme do laboratoří Fakulty elektrotechnické ČVUT, kde probíhají zkoušky pokročilejších systémů hybridních pohonů. Nakonec se podíváme na unikát: lineární motor, který vyvinuli specialisté Katedry řídicí techniky FEL ČVUT v Praze.
Sto osmdesát miliónů automobilů dennodenně zaplavuje silnice Evropy. A víc než 650 miliónů silnice celého světa. Symbol volnosti a pohyblivosti pro jednotlivce se stal během posledních let symbolem ohrožení pro celou planetu. Automobily jsou zdroje miliónů tun oxidu uhličitého a dalších skleníkových plynů, mračen smogu a nepatrných částeček aerosolu, které ohrožují naše zdraví.
Záplavě aut vévodí velké, obvykle tmavé limuzíny bohatých občanů, které většinou vůbec netrápí, že jejich vozidlo vyprodukuje oproti menším a úspornějším vozům jejich spoluobčanů až několikanásobně víc nebezpečného CO2. Přesto i v kategorii velkých luxusních vozů existuje jedna výjimka. Je to vozidlo, které využívá hybridní pohon: Japonský Lexus 600.
Je to zhmotnění technické dokonalosti. Skutečná špička současné automobilové konstrukce. Spojení dokonalého designu a maximálního pohodlí pro posádku s nejnovějšími systémy elektronického řízení a bezpečnosti. Ale především – je to jediný velký luxusní vůz světa s hybridním pohonem.
Jak takový hybridní pohon vypadá? Jeho základem je benzínový osmiválec do V s objemem pět litrů. Řídicí počítač kombinuje jeho výkon 290 kilowattů, neboli 394 koní, s druhým zdrojem pohonu – se silným elektromotorem o výkonu 160 kilowattů. K dispozici je tedy celkem výkon 445 koní. Poprvé na světě byl použit stálý hybridní pohon všech kol.
Zveme vás na projížďku hybridem. Rozjezd ve městě je zcela tichý. Vůz se totiž pohybuje jako elektromobil. Zásoba energie z výkonné nikl-metal hydridové baterie pohání přímo hnací elektromotor. Při jízdě mimo město pohání spalovací motor přímo všechna kola. Nadbytek energie benzínového motoru využívá generátor k výrobě elektřiny, kterou se neustále dobíjí baterie.
Na rozdíl od klasického automobilu, jehož pohybová energie se při brzdění mění na neužitečné teplo, hybridní pohon velkou část této energie mění zpět na elektřinu a ukládá do baterie. Když je třeba náhle zrychlit, pracuje společně motor i elektromotor. Právě toto jedinečné využívání energie řízené počítačem umožnilo, že Lexus 600 se svou spotřebou 9,3 litru na100 kilometrů vyrovná o dvě třídy nižším šestiválcům. Všechny své přímé konkurenty však daleko převyšuje především nižšími emisemi CO2 – pouhých 219 gramů na kilometr.
Firma Lexus se vývoji vozů s hybridním pohonem cíleně věnuje už mnoho let. Modelovou řadu Lexusů doplňuje i první sportovně terénní model se dvěma hnacími elektromotory. Všem těmto automobilům hybridní pohon umožnil snížit spotřebu a emise CO2 na úroveň o dvě třídy nižších vozů. Luxusní a prestižní vozy Lexus ale především menší a mnohem početnější Toyota Prius jsou jako průkopníci hybridního pohonu už několik let v sériové výrobě. Po úspěchu na japonském a americkém trhu jich nyní přibývá i v Evropě.
Do této haly jsme se přišli podívat na prototyp hybridního pohonu zítřka. Jsme v laboratoři Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Dejvicích. Spalovací motor hybridního vozu tu zatím nahrazuje elektromotor. To hlavní, čím se pražský prototyp liší od pohonů japonských Lexusů nebo Toyoty Prius, je tato modro-oranžová část. Je to elektrický synchronní generátor s permanentními magnety.
Oproti dosavadním hybridům v sobě soustřeďuje dvě dosud samostatné funkce: jako planetová převodovka přenáší prostřednictvím hřídele mechanickou sílu spalovacího motoru přímo na kola. Zároveň jako generátor mění část výkonu spalovacího motoru na elektrický proud, který pohání výkonný hnací elektromotor. Pokud vozidlo elektřinu právě nepotřebuje, ukládá se do nového zdroje energie – do superkondenzátoru.
Prof. Zdeněk Čeřovský, CSc., katedra řídicí techniky FEL ČVUT v Praze: Jeden superkondenzátor je schopen uložit energii auta o hmotnosti 1500 kg, jedoucího rychlostí 60 km/h, a opět ji při rozjezdu použít.
Doc. Pavel Mindl, CSc., proděkan FEL ČVUT v Praze: Umožňuje sice uložit zatím relativně menší množství energie v porovnání s klasickými akumulátory, nicméně jeho dynamika výměny energie je podstatně rychlejší a do budoucna se jeví jako efektivnější.
Většinu z vás jistě překvapí, že hybridní pohony se objevily už ve třicátých letech minulého století, a to dokonce i na naší slavné Slovenské strele. Moravský vynálezce Josef Sousedík tehdy pro její pohon spojil dieselmotor s elektromotorem, který umožnil rychlejší rozjezd tohoto unikátního a rekordního motorového vozu.
Jaké jsou vize dalšího vývoje hybridního pohonu? Systém, elektronicky sledující chování řidiče, bude odhadovat, zda se vozidlo pohybuje po městě nebo mimo v krajině a podle toho bude řídit nabíjení nebo vybíjení superkondenzátoru. Jinou vizí je systém, který bude sledovat polohu vozu pomocí přijímače GPS. Ten zjistí, zda vozidlo jede po dálnici nebo ve městě a podle toho zvolí režim využití energie.
V současné době začínají převládat ekologické požadavky nad nároky na palivo. Možná se už zanedlouho dočkáme stavu, kdy hybridní, a především elektrické pohony budou požadovány ne kvůli cenám benzínu a nafty, ale vynutí si je přísné ekologické předpisy a omezení.
Doc. Pavel Mindl, CSc., proděkan FEL ČVUT v Praze: Nebude nutno používat zvlášť automobil pro město na elektřinu s akumulátorem na malý dojezd a další auto na použití mimo město, ale vhodným automobilem pro městské i externí použití bude skutečně hybrid.
Spalovací motor má za sebou sto třicet let vývoje. Přesto se stále objevují pokusy o novou konstrukci. Nový motor se zrodil také na pražském ČVUT. Nalezli jsem jej v nenápadných prostorách dřívější garáže. Ostatně podobně začínala řada pozdějších velkých vynálezů. Tento spalovací motor vznikl překvapivě na katedře řídicí techniky Fakulty elektrotechnické.
V čem se nový lineární motor liší od toho klasického spalovacího – třeba od tříválce, jaký pohání současnou Fabii? Jeho dva válce jsou uspořádány v ose proti sobě. Písty obou válců spojuje společná ojnice – to je ta modrá, pohybující se tyč. Ta je zároveň pohyblivou částí elektrického generátoru. Zcela tu chybí klikový mechanismus klasického spalovacího motoru. Při hoření paliva ve válcích se tepelná energie mění na pohybovou energii ojnice. Pohybová energie se mění prostřednictvím cívek okamžitě na elektrickou energii – třeba pro pohon vozidla.
Doc. Ing. Ondřej Vysoký, CSc., katedra řídicí techniky, FEL ČVUT v Praze: Myšlenka vytvořit takový netradiční motor, který tady vidíte přede mnou, mne napadla už asi před dvaceti pěti lety. Ale technické možnosti mikroprocesorové techniky a výkonové elektroniky zdaleka nestačily na takový úkol v tehdejší době.
To umožnily až dnešní velice výkonné počítače.Ty zpracovávají spoustu dat, která přesně určují každý jednotlivý pohyb motoru. Složité řízení chodu motoru je daní za jeho velmi jednoduchou koncepci. Neexistuje totiž žádné mechanické omezení pohybu ojnice s písty. Proto jej musí řídit počítač.
Doc. Ing. Ondřej Vysoký, CSc., katedra řídicí techniky, FEL ČVUT v Praze: Tímto způsobem můžeme zvýšit hustotu výkonu tohoto stroje, to znamená, že tato jednotka na podobný výkon by měla být v budoucnosti lehčí než u standardního řešení, tedy motor a generátor samostatně.
Kolem lineárního motoru z ČVUT je ještě množství technických a technologických problémů, které brání zavedení jeho sériové výroby. Teprve po jejich vyřešení se otevře cesta pro tuto nadějnou pohonnou jednotku – třeba i do budoucích hybridů české výroby. Hybridní pohon je už ovšem realitou dneška. Ve Spojených státech a Japonsku prožívá prudký nástup. Evropa se svým obvyklým váháním se teprve pozvolna rozjíždí. Tento trend můžeme očekávat i u nás. Hybrid bude jedním z klíčových typů pohonu stamiliónů vozidel světa v příštích dvaceti, třiceti letech.
Autor: Vladimír Kunz